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Dokumentenidentifikation DE102006030324A1 01.02.2007
Titel Verfahren und System zum Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision
Anmelder GM Global Technology Operations, Inc., Detroit, Mich., US
Erfinder Kang, Jun-Mo, Ann Arbor, Mich., US;
Chang, Chen-Fang, Troy, Mich., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 30.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030324
Offenlegungstag 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse F01L 1/34(2006.01)A, F, I, 20061016, B, H, DE
Zusammenfassung Es werden ein Verfahren und ein System zum Vermeiden einer Kollision von Kolben und Motorventilen geschaffen. Dies erleichtert die Verwendung eines voll flexiblen variablen Ventilbetätigungssystems über seinen Betriebsbereich ohne Auferlegung von willkürlichen Zwängen. Umfasst ist die Betätigungssteuerung des Motorventils, die Bestimmung eines Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, und die Bestimmmung eines Soll-Ventilhubs sowie der Dauer der Ventilöffnungszeit. Ein Öffnungsprofil für das Motorventil wird geschätzt. Auf der Grundlage des geschätzten Öffnungsprofils werden ein erster und eine zweiter Kurbelwinkel berechnet. Der Kurbelwinkel, der die Motorventilöffnung auslöst, wird durch Addieren einer Sicherheitsspanne zu dem zweiten Kurbelwinkel bestimmt. Das Verfahren bestimmt einen maximalen Ventilhub, wobei die Dauer der Ventilöffnungszeit und ein Motorventilöffnungs-Kurbelwinkel gegeben ist, und eine minimale Dauer der Ventilöffnungszeit, wobei ein Ventilhub und ein Motorventilöffnungs-Kurbelwinkel gegeben sind.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennkraftmaschinen-Steuersysteme und insbesondere auf das Vermeiden von Kolben-Ventil-Kollisionen, vor allem bei Motoren, die mit variablen Ventilbetätigungssystemen ausgestattet sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Entwickler von Brennkraftmaschinen setzen verschiedene Techniken und Steuerungsstrategien um, um Leistungsparameter zu verbessern, einschließlich der Reduzierung von Abgasemissionen, des Steigerns der Motorleistung und der Verbesserung der Kraftstoffersparnis. Eine Technik, die Gelegenheit für solche Verbesserungen bietet, liegt im Bereich einer verbesserten Ventiltriebsteuerung, die versucht, durch Verbessern der Motoratmung und Verringern der Pumpverluste, um so den volumetrischen Wirkungsgrad zu erhöhen, die Leistung zu verbessern. Verbesserungen der Motorleistung durch Anwendung von Ventiltrieb-Steuerungsstrategien kommen herkömmlichen Motoren mit Funkenzündung, Motoren mit Kompressionszündung und Motoren, die Motor-Zwischenstrategien anwenden, wie etwa Motoren mit Kompressionszündung und homogener Ladung, zugute.

Ventiltrieb-Steuerungsstrategien können die Steuerung der Größe des Ventilhubs oder der Ventilöffnung, der Dauer der Ventilöffnung und des Timings der Ventilöffnung umfassen und Einlassventile und/oder Auslassventile umfassen. Ein variables Nockenphasenstellsystem verändert typischerweise das Timing der Einlassventilöffnung relativ zur Kurbelwellenposition durch Verwendung einer Öldruck-betätigten Phasenstellvorrichtung, die nur das Timing der Einlass- oder Auslassventilöffnung verändert, ohne die Größe des Ventilhubs oder die Ventilöffnungsdauer zu beeinflussen. Ein variables Hubsteuersystem verändert typischerweise die Größe und die Dauer der Ventilöffnung durch Verwendung einer zweistufigen Nockenwelle, wobei jede Stufe der Nockenwelle wählbar ist. Ein voll flexibles Ventilbetätigungssystem sieht eine variable Nockenphasenverstellung und eine variable Hubsteuerung vor, um eine Steuerung der Ventilöffnungsdauer, des Ventilhubs und des Ventil-Timings zu ermöglichen.

Bei einem Motorsystem, das ein Ventilbetätigungssystem verwendet, besteht die Gefahr einer Kollision zwischen Motorventilen und Kolben. Koben/Ventil-Kollisionen führen zu einem unerwünschten Geräusch und der Gefahr einer Beschädigung von Motorkomponenten, was zu Garantiefällen und teuren Reparaturen führt. Motorentwickler haben Koben/Ventil-Kollisionen im Allgemeinen durch Einschränken des Betriebsbereichs der Ventilsteuervorrichtungen vermieden. Jedoch verringert die Einschränkung des Betriebsbereichs einer Ventilsteuervorrichtung die Möglichkeit des Motorentwicklers, die Motorleistung über seinen Betriebsbereich zu optimieren.

Daher werden ein Verfahren und ein System benötigt, die unter Beseitigung der Gefahr einer Schädigung des Motors infolge einer Kollision zwischen Motorventilen und Kolben den Betrieb eines variablen Ventilbetätigungssystems über seinen verfügbaren Betriebsbereich ermöglichen. Ein solches System und ein solches Verfahren ermöglichen eine aggressivere Ventilsteuerungsstrategie, um die Motorleistung bei verschiedenen Antriebsstranganwendungen zu maximieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Motorsteuerungen durch Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems zum Vermeiden einer Kollision von Kolben und Motorventilen. Dies erleichtert die Verwendung eines voll flexiblen variablen Ventilbetätigungssystems über seinen Betriebsbereich ohne Auferlegung von willkürlichen Zwängen, die für variable Ventilbetätigungssysteme typisch sind, und ermöglicht so die Optimierung des Motorbetriebs.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und ein System beschrieben, die die Betätigung eines Motorventils steuern, das betätigt werden kann, um den Verbrennungskammerfluss zu steuern. Die Verbrennungskammer ist in einem Zylinder gebildet, der einen sich hin und her bewegenden Kolben besitzt, der an einer Kurbelwelle funktional angebracht ist. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Kurbelwinkels, bei dem eine Motorventilöffnung auszulösen ist. Es werden ein Soll-Ventilhub und eine Dauer der Ventilöffnungszeit bestimmt. Auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit wird ein Öffnungsprofil für das Motorventil geschätzt. Auf der Grundlage des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil, eines Zylinderdurchmessers und eines Zylinderhubraums wird ein erster Kurbelwinkel berechnet. Auf der Grundlage des ersten Kurbelwinkels, einer linearen Position des Kolbens, die bestimmt wird, wenn die Kurbelwelle bei dem ersten Kurbelwinkel ist, und des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil wird ein zweiter Kurbelwinkel bestimmt. Der Kurbelwinkel, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, wird durch Addieren einer Sicherheitsspanne zu dem zweiten Kurbelwinkel bestimmt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Schätzen der Position des Ventils über einen Bereich von einer geschlossenen Position zu einer vollständig geöffneten Position als lineare Gleichung mit einer festen Steigung über den Bereich von der geschlossenen Position zu der vollständig geöffneten Position.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil, um den zweiten Kurbelwinkel um die Sicherheitsspanne zu verschieben.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Bestimmen einer Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil auf der Grundlage des Motorbetriebs und der Ventilbetätigungsmechanisierung.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Steuern einer Position einer variablen Nockenphasenvorrichtung auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Ausführen des Verfahrens, um regelmäßig, wenigstens einmal pro Motorzyklus, den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Ausführen des Verfahrens, um regelmäßig, wenigstens einmal pro Ventilereignis, den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Ventilbetätigungssystem ein variables Ventilhubsteuersystem ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Ventilbetätigungssystem ein mehrstufiges Ventilhubsystem ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Ventilbetätigungssystem ein individuell betätigtes Ventilsteuersystem ist.

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen deutlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung kann Gestalt annehmen in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen, deren bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, die einen Teil hiervon bilden und worin:

1 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Motors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;

2 ein algorithmisches Flussdiagramm in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;

3 eine graphische Datendarstellung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;

4 eine graphische Datendarstellung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist; und

57 algorithmische Flussdiagramme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wenn nun Bezug auf die Zeichnungen genommen wird, worin die Abbildungen lediglich zum Zweck der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung und nicht zum Zweck der Begrenzung derselben dienen, zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung und eines Steuerschemas der vorliegenden Erfindung. Das exemplarische Verfahren und das exemplarische System sind an einer Brennkraftmaschine 5 mit Funkenzündung mit einem oder mehreren Zylindern 7 ausgeführt. In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein voll flexibles variables Ventilbetätigungssystem ('FVVA', fully flexible variable valve actuation system), das eine Steuereinrichtung 11 und eine Betätigungseinrichtung 9 umfasst, die zum Steuern des Öffnens und Schließens von Einlassventilen 12 und Auslassventilen 14 der Brennkraftmaschine 5 betrieben bzw. betätigt werden können. Die Brennkraftmaschine 5 ist mit einer Motorsteuereinrichtung 10 gekoppelt, die betrieben werden kann, um Motorsteuerungsschemen auf der Grundlage von Bedienereingaben und anderen Faktoren auszuführen. Die FVVA-Steuereinrichtung 11 kann betrieben werden, um Eingaben von der Motorsteuereinrichtung 10 anzunehmen und die FVVA-Betätigungseinrichtung 9 in Übereinstimmung mit den weiter unten beschriebenen Steuerschemen zu steuern. Die Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Mehrzylindermotor, der einen Motorblock, einen Kopf und eine Kurbelwelle umfasst. In dem Block sind mehrere Zylinder 7 gebildet, wobei jeder Zylinder einen Kolben 16 enthält, der so betätigt wird, dass er sich linear in diesem bewegt. Jeder Kolben ist mit der Kurbelwelle mechanisch betätigbar über eine Kolbenstange (nicht gezeigt) verbunden. Die Kurbelwelle ist an Hauptlagern (nicht gezeigt) angebracht. In jedem Zylinder 7 ist zwischen der Oberseite jedes Kolbens 16 und dem Zylinderkopf 20 eine Verbrennungskammer 18 gebildet. Die Kurbelwelle dreht sich in den Hauptlagern in Reaktion auf eine durch die Kolbenstangen auf sie ausgeübte lineare Kraft als Ergebnis von Verbrennungsereignissen in jeder Verbrennungskammer. Der Kopf 20 weist ein oder mehrere Einlassventile 12 und ein oder mehrere Auslassventile 14 auf. Die Einlassventile 12 können betätigt werden, um sie zu öffnen und den Zustrom bzw. Zufluss von Luft und Kraftstoff zu der Verbrennungskammer 18 zuzulassen. Die Auslassventile 14 können betätigt werden, um sie zu öffnen und das Ausstoßen von Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungskammer 18 zuzulassen. Es ist ein Kurbelsensor vorhanden, der im Wesentlichen in der Nähe der Kurbelwelle angeordnet ist und dazu dient, die Kurbelwinkelposition zu messen, wobei solche Informationen nützlich zum Messen der Kurbelwellendrehzahl sind.

Das FVVA-System umfasst vorzugsweise die FVVA-Steuereinrichtung 11 und die FVVA-Betätigungseinrichtung 9, die funktional an den Einlassventilen 12 und den Auslassventilen 14 des Motors angebracht ist. Das FVVA-System kann betrieben werden, um die Größe des Ventilhubs L, die Dauer der Ventilöffnung D und das Timing der Ventilöffnung &thgr; der Einlassventile 12 und der Auslassventile 14 in Reaktion auf die Eingabe von der Steuereinrichtung 10 entsprechend den Steuerungsschemen zu steuern. Die Motorsteuereinrichtung 10 kann vorzugsweise betrieben werden, um die Eingabe von verschiedenen Motorsensoren und die Bedienereingaben zu überwachen und in Reaktion darauf mittels integrierter Steuerungsschemen in Form von Algorithmen und Kalibrierungen verschiedene Steuervorrichtungen zu betätigen. Genauer überwacht die Steuereinrichtung 10 den Motorbetrieb, Bedienereingaben und Umgebungsbedingungen und bestimmt optimale Ventilöffnungsprofile hinsichtlich der Größe des Ventilhubs L, der Dauer der Ventilöffnung D und des Timings der Ventilöffnung &thgr; relativ zur Kurbelwellen-Winkelposition. Diese Informationen werden über einen Kommunikationsbus (nicht gezeigt) an die FVVA-Steuereinrichtung 11 übermittelt.

Die Steuereinrichtung 10 ist vorzugsweise ein elektronisches Steuermodul (electronic control modul, ECM), das eine Zentraleinheit umfasst, die über Datenbusse mit flüchtigen und nicht flüchtigen Speichervorrichtungen durch Signale elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 10 ist funktional mit anderen Mess- bzw. Abfühlvorrichtungen und Ausgabevorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Motorbetriebs gekoppelt. Die Ausgabevorrichtungen umfassen vorzugsweise Subsysteme, die für eine korrekte Steuerung und einen korrekten Betrieb des Motors 5 erforderlich sind, einschließlich, beispielhalber, eines Kraftstoffeinspritzsystems, eines Funkenzündsystems (wenn ein Motor mit Funkenzündung verwendet wird), eines Abgasrückführsystems und eines Verdampfungssteuersystems. Die Motor-Messvorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die dazu dienen, den Motorbetrieb, die äußeren Bedingungen und die Bedieneranforderung zu überwachen, und sind typischerweise durch Signale mit der Steuereinrichtung 10 gekoppelt. Steueralgorithmen werden typischerweise während im Voraus eingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, derart, dass jeder Steueralgorithmus wenigstens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Schleifenzyklen werden bei einem typischen Motorbetrieb alle 3, 6, 15, 25 und 100 Millisekunden ausgeführt. Die Verwendung der Steuereinrichtung 10 zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine 5 ist einem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt.

In den 2 und 3 ist ein Verfahren zum Steuern der Betätigung und der Öffnung der Motorventile, die betätigt werden können, um den Verbrennungskammerfluss zu steuern, gezeigt. Das Verfahren wird vorzugsweise als ein oder mehrere Algorithmen in der Steuereinrichtung 10 ausgeführt.

Der Algorithmus wird vorzugsweise einmal pro Motorzyklus ausgeführt, um einen frühesten Kurbelwinkel, der mit &thgr;C bezeichnet wird und bei dem das Öffnen eines der Einlassventile 12 zu beginnen ist, zu bestimmen, um eine Kolben/Ventil-Behinderung zu verhindern. Alle Kurbelwinkel sind hier mit dem griechischen Buchstaben &thgr; (Theta) bezeichnet. Der Algorithmus kann stattdessen einmal pro Motorzyklus ausgeführt werden, um einen spätesten Kurbelwinkel, der mit &thgr;C bezeichnet wird und bei dem das Schließen jedes der Auslassventile 14 zu beginnen ist, zu bestimmen, um eine Kolben/Ventil-Behinderung zu verhindern. Alternativ kann der Algorithmus einmal pro Motorventilereignis ausgeführt werden, wenn das spezifische Steuerungsschema es so verlangt. Beispiele von Systemen, bei denen der Algorithmus bei jedem Motorventilereignis ausgeführt wird, umfassen Systeme, bei denen ein Motorventil zweimal während eines einzigen Motorzyklus geöffnet wird, und Motorsystem, die verschiedene Ventilprofile oder Ventile für verschiedene Zylinder verwenden. In den Algorithmen zugeordneten Kalibrierungswerten umfasst sind Motorparameter einschließlich der Bohrung B, des Hubs, des Verdrängungsvolumens Vd und des Totraums VCL des Zylinders; der Einlass- und Auslass-Motorventilabmessungen einschließlich des Hubwegs und des damit zusammenhängenden Durchflusses; der Nockenwellenprofile und des zugeordneten Motorventilhubwegs; und anderer kalibrierter Werte, die notwendig sind, um ein Betriebssystem für den Motor bereitzustellen.

In 2 umfasst der Algorithmus vorzugsweise im Voraus kalibrierte Information hinsichtlich des Motorentwurfs einschließlich des Zylinderbohrungsdurchmessers B (gemessen in Millimeter) und der volumetrischen Verdrängung Vd des Zylinders (gemessen in Kubikmillimeter mm3) und des Totraums VCL (gemessen in Kubikmillimeter mm3) (Block 100). Die Steuereinrichtung kann betrieben werden, um Motorbetriebsbedingungen und Bedienereingaben einschließlich der Anforderung nach Leistung zu bestimmen (Block 102). Auf der Grundlage von Motorbetriebs- und Steuerparametern einschließlich der Bedieneranforderung nach Luftzustrom, des geplanten Abgasrückführungsanteils, der Verdampfungskatalysator-Reinigungsrate und anderer Faktoren, die das Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis beeinflussen, werden der Soll-Ventilhub L und die Dauer D der Ventilöffnungszeit für den nächsten Motorzyklus bestimmt (Block 104). Ein erfahrener Praktiker ist in der Lage, geeignete Niveaus für den Hub und die Dauer auf der Grundlage des Motorbetriebs und der Steuerparameter als Teil der Motorentwicklung und Motorkalibrierung vor dem Dauerbetrieb des Motors zu bestimmen. Der Ventilhub L wird vorzugsweise in Längendimensionen, in Millimetern, ausgedrückt. Die Dauer D der Ventilöffnungszeit wird vorzugsweise in Dimensionen des Drehwinkels &thgr; der Kurbelwelle ausgedrückt.

In 3 sind für ein Einlassventilöffnungsereignis eine erste Linie 1, die die lineare Bewegung des Kolbens 16 zeigt, und eine zweite Linie 2, die die lineare Bewegung des Motor-Einlassventils 12 zeigt, beide relativ zu dem Kurbelwellen-Drehwinkel &thgr;, gezeigt.

Die Position des Kolbens 16 bei dem Kurbelwinkel &thgr; wird mittels der folgenden Gleichung berechnet: wobei:

P
= Kolbenposition,
B
= Zylinderbohrung (mm),
Vd
= Zylinderhubraum (mm3),
Vcl
= Totraum (mm3) und
&thgr;
= Kurbelwellen-Drehwinkel (&thgr; ≅ 0° am oberen Totpunkt des Auspufftakts).

Auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit (Block 106) wird ein Ventilöffnungsprofil geschätzt, das als Linie 3 von 3 gezeigt ist. Dies umfasst vorzugsweise das Schätzen der Position des Ventils unter Anwendung einer linearen Gleichung mit einer festen Steigung über einen Bereich von einer geschlossenen Motorventilposition zu einer vollständig geöffneten Motorventilposition. Somit wird das geschätzte Profil mit der Steigung S durch Approximierung des gewünschten Ventilprofils, das als Linie 3 von 3 gezeigt ist, mittels einer Dreiecksform bestimmt. Daher wird die Steigung S berechnet als: S = 2 × L/D,[2] wobei:

L
= Ventilhub (mm) und
D
= Dauer (Kurbelwinkelgrade)(Block 108).

Ein erster Punkt A wird durch Gleichsetzen der Steigung der Tangente an das Kolbenprofil mit der Steigung S bestimmt.

Der Punkt A umfasst den Punkt des ersten Kontaktes, wenn eine Kollision zwischen dem Kolben 16 und dem Ventil 12 eintritt, wobei das Ventil 12 dem geschätzten Ventilprofil folgt.

Nach Auflösen der Gleichung 1 beträgt der Kurbelwinkel &thgr;A des Punktes A:

Der erste Kurbelwinkel &thgr;A repräsentiert einen minimalen Kurbelwinkel, bei dem der Kolben 16 das Ventil 12 behindert. wobei das Ventil 12 dem geschätzten Ventilprofil folgt.

Auf der Grundlage des ersten Kurbelwinkels &thgr;A, einer linearen Position des Kolbens, die bestimmt wird, wenn die Kurbelwelle bei dem ersten Kurbelwinkel &thgr;A ist, und dem geschätzten Ventilöffnungsprofil wird ein zweiter Kurbelwinkel &thgr;B berechnet (Block 112): wobei P(&thgr;A) die Position des Kolbens 16 bei dem Kurbelwinkel &thgr;A umfasst und durch Substituieren von &thgr;A für &thgr; in der obigen Gleichung 1 berechnet wird.

Der endgültige Kurbelwinkel &thgr;C, der den Kurbelwinkel umfasst, bei dem die Öffnung des Ventils beginnt, wenn es das Einlassventil 12 ist, wird durch Verschieben des zweiten Kurbelwinkels &thgr;B um eine Sicherheitsspanne M bestimmt (Block 114): &thgr;C = &thgr;B + M[6]

Die Sicherheitsspanne M ist ein Maß der Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil. Es wird vorzugsweise experimentell vor dem Dauerbetrieb oder der regulären Fertigung des Motors durch Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und einem repräsentativen Ventil mit Ventilbetätigungssystem bestimmt. Die Sicherheitsspanne M wird vorzugsweise auf der Grundlage der Motorbetriebsgeschwindigkeit und der Motorlast, der Ventilposition und der Verbrennungskammergeometrie sowie der Betriebskennlinien des Ventilöffnungsmechanismus entwickelt. Wenn der Ventilöffnungsmechanismus eine Kurbelwelle mit Nocken ist, umfassen die relevanten Betriebskennlinien das Nockenprofil, das primär im Kurbelwinkelbereich gemessen und beschrieben wird und von einem erfahrenen Praktiker ohne weiteres durch Testen und Entwickeln bestimmbar ist. Wenn der Ventilöffnungsmechanismus ein nockenloses System ist, das eine elektrische betätigte oder elektrisch/hydraulisch betätigte Vorrichtung verwendet, umfassen die relevanten Betriebskennlinien den Frequenzgang der Vorrichtung, der primär im Zeitbereich gemessen und beschrieben wird und von einem erfahrenen Praktiker ohne weiteres durch Testen und Entwickeln bestimmbar ist. Die Sicherheitsspanne M kann entweder ein einziger skalarer Wert sein, typischerweise wenn die Systemmechanisierung eine Nockenwelle umfasst, oder ein Wertefeld sein, das auf der Grundlage der Betriebsbedingungen bestimmt wird, typischerweise wenn die Systemmechanisierung eine nockenlose Betätigung der Ventile umfasst.

Alternativ und mit Bezug auf 4 lautet, wenn der Algorithmus verwendet wird, um einen spätesten Kurbelwinkel, bei dem die Öffnung eines der Auslassventile 14 beginnen soll, bestimmt wird, so dass alle Auslassventile in einer zeitlichen Weise geschlossen werden, um eine Kolben/Ventil-Behinderung zu verhindern, die Gleichung zum Berechnen von &thgr;C wie folgt: &thgr;C = &thgr;B – M,[7] wobei:

&thgr;B
= zweiter Kurbelwinkel und
M
= Sicherheitsspanne.

Sobald die Ventilschließzeit &thgr;C bestimmt ist, kann die Öffnungszeit für jedes Auslassventil durch Subtrahieren der Ventilöffnungsdauer D von der Ventilschließzeit bestimmt werden. Mit geringen Änderungen können die Gleichungen 1–6 zum Berechnen des Winkels &thgr;B für ein Auslassventilereignis verwendet werden. Jedoch wird zu Gunsten der besten Rechenleistung darauf hingewiesen, dass 4 im Grunde eine Bildreflexion von 3 längs der y-Achse ist (wobei &thgr; = &thgr;° oder oberer Totpunkt). Daher können die obigen Gleichungen 1–6, die ein Einlassventilereignis beschreiben, zum Berechen der Kurbelwinkel (&thgr;A, &thgr;B, &thgr;C) für ein Auslassventilereignis ausgeführt werden. Dies umfasst vorzugsweise das Berechnen der Winkel &thgr;A, &thgr;B und &thgr;C mittels der Gleichungen 1–6 und das Negieren der resultierenden Werte. Beispielsweise wird, falls &thgr; = 10° nach dem oberen Totpunkt der mittels der Gleichungen 1–6 berechnete früheste Öffnungskurbelwinkel ist, &thgr; = 10° vor dem oberen Totpunkt zu dem letzten Schließkurbelwinkel für jedes Auslassventil.

Mit Bezug auf 5 wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei sie einen Ablaufplan für einen Algorithmus zum Steuern der Ventile eines variablen Nockenphasenstellsystems oder eines FVVA-Systems bei einem gegebenen Ventilprofil umfasst. Die mechanischen Aspekte des exemplarischen variablen Nockenphasenstellsystems sind bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Bei dem variablen Nockenphasenstellsystem sind sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile der Ventilhub L und die Dauer D durch die Nockenprofile festgelegt, während die zeitliche Steuerung der Ventilöffnungszeit mittels einer herkömmlichen Nockenphasenstellvorrichtung verändert wird. Der Algorithmus bestätigt, dass ein Befehl zum Aktualisieren der FVVA-Steuerung empfangen worden ist (Block 122). In diesem Fall wird der Kurbelwinkel &thgr;C E, der den spätesten Kurbelschließwinkel für das Auslassventil 14 zum Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision repräsentiert, berechnet (Block 124). Die Berechnungen des Kurbelwinkels &thgr;C E und &thgr;C I sind oben mit Bezug auf die Gleichungen 1 bis 7 beschrieben worden. Dieser Kurbelwinkel &thgr;C E wird mit dem Auslassventilschließ EVC verglichen (Block 126). Wenn der befohlene Auslassventilschließ EVC größer als der Kurbelwinkel &thgr;C E ist (mit anderen Worten, EVC später als ist &thgr;C E ist), wird der Kurbelwinkel &thgr;C E von dem Auslassventilschließ EVC subtrahiert und das Ergebnis von dem befohlenen Auslassventilöffnungs EVO subtrahiert (Block 128). Wenn der Auslassventilschließ EVC nicht größer als der Kurbelwinkel &thgr;C E ist, bleibt der befohlene Auslassventilöffnungs EVO unverändert. Der Kurbelwinkel &thgr;C I, der den frühesten Öffnungskurbelwinkel für das Einlassventil 12 zum Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision repräsentiert, wird berechnet (Block 130). Der Kurbelwinkel &thgr;C I wird mit dem Einlassventilöffnungs IVO verglichen (Block 132). Wenn der befohlene Einlassventilöffnungs IVO kleiner als der Kurbelwinkel &thgr;C I ist (mit anderen Worten, IVO früher als &thgr;C I ist), wird der befohlene Einlassventilöffnungs IVO von dem Kurbelwinkel &thgr;C I subtrahiert und das Ergebnis zu dem befohlenen Einlassventilöffnungs IVO addiert (Block 134). Wenn der Einlassventilöffnungs IVO nicht größer als der Kurbelwinkel &thgr;C I ist, bleibt der befohlene Einlassventilöffnungs IVO unverändert.

Mit Bezug auf 6 wird nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei sie einen Ablaufplan für einen Algorithmus zum Steuern des Ventilhubs eines variablen Ventilhubsteuersystems oder eines FVVA-Systems bei einem gegebenen Ventilhub und einer gegebenen Dauer umfasst. Die mechanischen Aspekte des exemplarischen variablen Ventilhubsteuersystems sind bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Bei dem variablen Ventilhubsteuersystem wird sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile der Ventilhub L durch Wechseln zwischen zwei oder mehreren Nockenprofilen eingestellt, wobei die Dauer D und die zeitliche Steuerung der Einlassventilöffnungszeit festgelegt sind. Der Algorithmus bestätigt, dass ein Befehl zum Aktualisieren der FVVA-Steuerung empfangen worden ist (Block 142). Der Algorithmus löst für das Auslassventil 14 unter Verwendung der obigen Gleichungen 1–6 nach der Steigung SE auf (Block 144). Die im Block 144 berechnete resultierende Steigung SE, multipliziert mit einer Hälfte der festgelegten Auslassventildauer EVD, wird zu dem maximalen Hub L, der das Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision ermöglicht. Der befohlene Auslassventilhub EVL wird mit dem maximalen Hub SE × EVD/2 verglichen (Block 146). Wenn der befohlene Auslassventilhub EVL größer als der maximale Hub ist, wird der befohlene Auslassventilhub EVL gleich dem maximalen Hub gesetzt (Block 148). Andernfalls bleibt der ursprüngliche Auslassventilhub EVL unverändert. Der Algorithmus löst für das Einlassventil 12 unter Verwendung der obigen Gleichungen 1–6 nach der Steigung SI auf (Block 150). Die im Block 150 berechnete resultierende Steigung SI, multipliziert mit einer Hälfte der festgelegten Einlassventildauer IVD, ist der maximale Hub, der das Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision ermöglicht. Der befohlene Einlassventilhub IVL wird mit dem maximalen Hub SI × IVD/2 verglichen (Block 152). Wenn der befohlene Einlassventilhub IVL größer als der maximale Hub ist, wird der befohlene Einlassventilhub IVL gleich dem maximalen Hub gesetzt. Andernfalls bleibt der ursprüngliche Einlassventilhub IVL unverändert.

Mit Bezug auf 7 wird nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei sie einen Ablaufplan für einen Algorithmus zum Steuern der Ventildauer eines variablen Ventildauersteuersystems oder eines FVVA-Systems bei einem gegebenen Ventil und einem gegebenen Hub umfasst. Die mechanischen Aspekte des exemplarischen variablen Ventildauersteuersystems sind bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Bei dem variablen Ventildauersteuersystem wird sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile die Ventildauer D durch Wechseln zwischen zwei oder mehreren Nockenprofilen eingestellt, während der Ventilhub L und die zeitliche Steuerung der Einlassventilöffnungszeit und der Auslassventilschließzeit festgelegt sind. Der Algorithmus bestätigt, dass ein Befehl zum Aktualisieren der FVVA-Steuerung empfangen worden ist (Block 162). Der Algorithmus löst für das Auslassventil 14 unter Verwendung der obigen Gleichungen 1–6 nach der Steigung SE auf (Block 164). Aus der im Block 164 berechneten resultierenden Steigung SE und dem festgelegten Auslassventilhub EVL wird die minimale Auslassventilöffnungsdauer (2 × EVL/SE) zum Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision berechnet. Die befohlene Auslassventilöffnungsdauer EVD wird mit der minimalen Auslassventilöffnungsdauer verglichen (Block 166). Wenn die befohlene Auslassventilöffnungsdauer EVD kleiner als die minimale Auslassventilöffnungsdauer ist, wird die befohlene Auslassventilöffnungsdauer EVD gleich der minimalen Auslassventilöffnungsdauer 2 × EVL/SE gesetzt (Block 168). Andernfalls bleibt die befohlene Auslassventilöffnungsdauer EVD unverändert. Der Algorithmus löst für das Einlassventil 12 unter Verwendung der obigen Gleichungen 1–6 nach der Steigung SI auf (Block 170). Aus der im Block 170 berechneten resultierenden Steigung SI und dem festgelegten Einlassventilhub IVL wird die minimale Einlassventildauer (2 × IVL/SI) zum Vermeiden einer Kolben-Ventil-Kollision berechnet. Die befohlene Einlassventildauer IVD wird mit der minimalen Einlassventildauer verglichen (Block 172). Wenn die befohlene Einlassventilöffnungsdauer IVD kleiner als die minimale Einlassventilöffnungsdauer ist, wird die befohlene Einlassventildauer IVD gleich der minimalen Einlassventildauer 2 × IVL/SI gesetzt (Block 172). Andernfalls bleibt die befohlene Einlassventildauer IVD unverändert.

Die Erfindung ist mit spezifischem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und Veränderungen daran beschrieben worden. Anderen können mit dem Lesen und Verstehen der Patentbeschreibung weitere Veränderungen und Abwandlungen offenbar werden. Sämtliche solche Veränderungen und Abwandlungen sollen, insoweit sie im Umfang der Erfindung liegen, umfasst sein.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bestimmen eines Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung in einen Zylinder mit einem sich hin und her bewegenden Kolben auszulösen ist, wobei der Kolben an einer sich drehenden Kurbelwelle angebracht ist, umfassend:

Bestimmen eines Soll-Ventilhubs und einer Dauer der Ventilöffnungszeit;

Schätzen eines Öffnungsprofils für das Motorventil auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit;

Bestimmen eines ersten Kurbelwinkels auf der Grundlage des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil, eines Zylinderdurchmessers und eines Zylinderhubraums;

Bestimmen eines zweiten Kurbelwinkels auf der Grundlage des ersten Kurbelwinkels, einer linearen Position des Kolbens, die bestimmt wird, wenn die Kurbelwelle bei dem ersten Kurbelwinkel ist, und des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil; und

Verschieben des zweiten Kurbelwinkels um eine Sicherheitsspanne.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schätzen des Öffnungsprofils für das Motorventil auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit umfasst: Schätzen der Position des Ventils über einen Bereich von einer geschlossenen Position zu einer vollständig geöffneten Position als lineare Gleichung mit einer festen Steigung über den Bereich von der geschlossenen Position zu der vollständig geöffneten Position. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Verschieben des zweiten Kurbelwinkels um die Sicherheitsspanne umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Bestimmen einer Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil umfasst: Bestimmen der Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil auf der Grundlage des Motorbetriebs und der Ventilbetätigungsmechanisierung. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Steuern einer Position einer variablen Nockenphasenstellvorrichtung auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausführen des Verfahrens, um regelmäßig, wenigstens einmal pro Motorzyklus, den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausführen des Verfahrens, um regelmäßig, wenigstens einmal pro Ventilereignis, den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist. Verfahren zum Steuern der Betätigung eines Motorventils, das betätigt werden kann, um den Verbrennungskammerfluss zu steuern, wobei die Verbrennungskammer in einem Zylinder gebildet ist, der einen sich hin und her bewegenden Kolben besitzt, der funktional an einer Kurbelwelle angebracht ist, umfassend:

Bestimmen eines Kurbelwinkels, bei dem eine Motorventilöffnung auszulösen ist, umfassend:

Bestimmen eines Soll-Ventilhubs und einer Dauer der Ventilöffnungszeit;

Schätzen eines Öffnungsprofils für das Motorventil auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit;

Bestimmen eines ersten Kurbelwinkels auf der Grundlage des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil, eines Zylinderdurchmessers und eines Zylinderhubraums;

Bestimmen eines zweiten Kurbelwinkels auf der Grundlage des ersten Kurbelwinkels, einer linearen Position des Kolbens, die bestimmt wird, wenn die Kurbelwelle bei dem ersten Kurbelwinkel ist, und des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil; und

Verschieben des zweiten Kurbelwinkels um eine Sicherheitsspanne.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Schätzen des Öffnungsprofils für das Motorventil auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit umfasst: Schätzen der Position des Ventils über einen Bereich von einer geschlossenen Position zu einer vollständig geöffneten Position als lineare Gleichung mit einer festen Steigung über den Bereich von der geschlossenen Position zu der vollständig geöffneten Position. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Verschieben des zweiten Kurbelwinkels um die Sicherheitsspanne umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen dem geschätzten Ventilöffnungsprofil und dem wirklichen Ventilöffnungsprofil. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: Bestimmen des Soll-Ventilhubs auf der Grundlage eines im Voraus festgelegten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, und einer im Voraus festgelegten Dauer der Ventilöffnungszeit. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: Bestimmen der Dauer der Ventilöffnungszeit auf der Grundlage eines im Voraus festgelegten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, und eines im Voraus festgelegten Soll-Ventilhubs. System zum Steuern der Betätigung eines Motorventils, das betätigt werden kann, um den Verbrennungskammerfluss zu steuern, umfassend:

eine Brennkraftmaschine: umfassend mehrere Zylinder; wobei jeder Zylinder einen Kopf, der wenigstens ein Lufteinlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist; und einen sich hin und her bewegenden Kolben besitzt; wobei jeder Kolben funktional mit einer sich drehenden Kurbelwelle verbunden ist; einen Kurbelpositionssensor; ein Ventilbetätigungssystem; und

eine Steuereinrichtung, die durch Signale elektrisch mit dem Kurbelpositionssensor verbunden ist und funktional mit dem Ventilbetätigungssystem verbunden ist;

wobei die Steuereinrichtung betrieben werden kann, um einen Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, was umfasst:

Bestimmen eines Soll-Ventilhubs und einer Dauer der Ventilöffnungszeit,

Schätzen eines Öffnungsprofils für das Motorventil auf der Grundlage des Soll-Ventilhubs und der Dauer der Ventilöffnungszeit,

Bestimmen eines ersten Kurbelwinkels auf der Grundlage des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil und der Dauer der Ventilöffnungszeit,

Bestimmen eines zweiten Kurbelwinkels auf der Grundlage des ersten Kurbelwinkels, einer linearen Position des Kolbens, die bestimmt wird, wenn die Kurbelwelle bei dem ersten Kurbelwinkel ist, und des geschätzten Öffnungsprofils für das Motorventil, und

Verschieben des zweiten Kurbelwinkels um eine Sicherheitsspanne;

und

wobei die Steuereinrichtung zum Steuern des Ventilbetätigungssystems auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, betrieben werden kann.
System nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinrichtung, die zum Steuern des Ventilbetätigungssystems auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, betrieben werden kann, umfasst, dass die Steuereinrichtung betrieben werden kann, um das wenigstens eine Einlassventil auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, zu steuern. System nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinrichtung, die zum Steuern des Ventilbetätigungssystems auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, betrieben werden kann, umfasst, dass die Steuereinrichtung betrieben werden kann, um das wenigstens eine Auslassventil auf der Grundlage des bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, zu steuern. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein variables Nockenphasenstellsystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein variables Ventilhubsteuersystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein mehrstufiges Ventilhubsystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein individuell betätigtes Ventilsteuersystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein variables Ventildauersteuersystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem das Ventilbetätigungssystem ein voll flexibles variables Ventilbetätigungssystem umfasst. System nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinrichtung, die zum Bestimmen eines Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, betrieben werden kann, umfasst, dass: die Steuereinrichtung betrieben werden kann, um einmal pro Motorzyklus den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist. System nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinrichtung, die zum Bestimmen eines Kurbelwinkels, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist, betrieben werden kann, umfasst, dass: die Steuereinrichtung betrieben werden kann, um einmal pro Ventilöffnungsereignis den Kurbelwinkel zu bestimmen, bei dem die Motorventilöffnung auszulösen ist.






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