DE10048263A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrischen Verbrennungsmotors, dessen Gaswechselventile (5) entweder direkt elektromagnetisch oder mittels eines elektrohydraulischen, mehrere Elektromagnetventile (7) aufweisenden Ventilbetätigungssystems hinsichtlich der Ventilöffnungscharakteristik variabel sind. Die Elektromagnetventile (7) werden zwecks Abgleich aller Gaswechselventile (5) auf die gewünschte Ventilöffnungscharakteristik im Betrieb des Verbrennungsmotors zylinderselektiv mittels variabler Ansteuerspannungen und/oder Ansteuerströme (I1, I2, I3) betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ver­ brennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Zeitschrift Auto Motor und Sport, Ausgabe 17, 1999, ist auf Seite 49 bereits ein elektrohydraulisches Ventilbe­ tätigungssystem für einen Verbrennungsmotor erläutert, das einen von einer Nockenwelle betätigten Stößel aufweist, der nicht unmittelbar, sondern mittels Hydrauliköl (Motoröl) auf ein Gaswechselventil (Einlassventil) im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors einwirkt. Der Druck der Hydraulikflüssig­ keit pflanzt sich dabei über einen Bremskolben auf das Gas­ wechselventil fort, wobei abhängig von der Ventilschaltstel­ lung eines im Zylinderkopf integrierten Elektromagnetventils sich diese Hydraulikölmenge und damit auch der Hub des Gas­ wechselventils im Zylinderkopf variieren lässt. Infolge von Fertigungstoleranzen für vorgenannte Bauteile ist eine Streuung der Ventilöffnungszeiten nicht auszuschließen, so dass gerade im Hinblick auf die Mehrzylinderbauweise des Verbrennungsmotors ungleiche Zylinderfüllungen zwangsläufig auch zu einer Streuung der Abgasemissionen führen.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmo­ tors zu entwickeln, mit dem sich die Zylinderfüllungen aller Motorzylinder angleichen lassen, so daß vorgenannte Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen im nachfolgenden aus der Beschreibung eines anhand mehrerer Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines elektrohydraulischen Ventilbetätigungssystems,

Fig. 2 die aus dem Ventilbetätigungssystem nach Fig. 1 resultierende variable Ventilverstellung der Gas­ wechselventile, veranschaulicht durch mehrere Ven­ tilhubkurven,

Fig. 3 eine Erläuterung einzelner Verfahrensschritte an­ hand eines Programmablaufplans, welche die Ver­ gleichmäßigung bzw. Synchronisierung der Ventil­ steuerzeiten aller Motorzylinder unter Berücksich­ tigung minimaler Abgaswerte ermöglichen,

Fig. 4 eine aus dem Programmablaufplan nach Fig. 3 reprä­ sentative Strom-, Spannugsimpuis,- und Hubkennli­ nie für eines der Elektromagnetventile des Ventil­ betätigungs- bzw. Einspritzsystems.

Die Fig. 1 offenbart eine Prinzipdarstellung eines elek­ trohydraulischen Ventilbetätigungssystems, mit einem im Zylinderkopf 1 eines Verbrennungsmotors angeordneten Ventil­ trieb, bestehend aus einer Nockenwelle 2, einer Stößelbau­ gruppe 3 und einem in den Ansaugkanal 4 des Verbrennungsmo­ tors sich als Einlassventil erstreckenden Gaswechselventils 5. Das Gaswechselventil 5 wird nicht unmittelbar durch die Stößelbaugruppe 3, sondern mittels eines von der Motorölpum­ pe 6 bereitgestellten Druckmittelvolumens hinsichtlich des Bewegungsablaufs variabel betätigt, wozu in den Zylinderkopf 1 ein Elektromagnetventil 7 eingesetzt ist, um das zwischen der Stößelbaugruppe 3 und dem Gaswechselventil 5 eingespann­ te Druckmittelvolumen variieren zu können. Da es sich um ei­ nen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor handelt, sind entspre­ chend der Anzahl der Gaswechselventile auch die bereits ein­ gangs erwähnten übrigen Bauteile des elektrohydraulischen Ventilbetätigungssystem mehrfach vorhanden. Das Ventilbetä­ tigungssystem weist ferner je Motorzylinder einen Zwischen­ speicher 8 auf, der im Bedarfsfall überschüssiges Druckmit­ telvolumen, das nicht zur Regelung des Ventilbetätigungssy­ stem benötigt wird, aufnimmt. Außerdem ist in dem Ansaugka­ nal 4 ein Einspritzventil 20 angeordnet, das gleichfalls wie das Elektromagnetventil 7 mittels variabler Ansteuerspannung und/oder variablem Ansteuerstrom zum Abgleich aller Motorzy­ linder auf einheitliche Einspritzmengen betrieben werden kann.

Die abbildungsgemäße Prinzipdarstellung des elektrohydrauli­ schen Ventilbetätigungssystems ist folglich regelungstech­ nisch für einen mehrzylindrigen und damit mehrventiligen Verbrennungsmotor ausgelegt, mit der Aufgabe, für jeden Mo­ torzylinder den Ventilhub elektrohydraulisch beeinflussen zu können. Bei hohen Motordrehzahlen stehen nur wenige Millise­ kunden zur Ansteuerung der Elektromagnetventile 7 zur Verfü­ gung.

Durch ein geeignetes Verfahren zum Betrieb des Verbrennungs­ motors können die Systemtoleranzen in der Ansteuerung, dem magnetischen Kreis und die Bauteiltoleranzen innerhalb des Ventiltriebs nicht mehr zu einer unakzeptablen Streuung der Ventilöffnungsquerschnitte führen, da nunmehr jeweils der hydraulische Steuerdruck zwischen der Stößelbaugruppe 3 und dem zugehörigen Gaswechselventil 5 erfindungsgemäß durch die Regelung der am Elektromagnetventil 7 angelegten Ventil­ schaltspannung bzw. des Ventilstroms als Funktion des Kur­ belwinkels individuell für jeden Motorzylinder eingestellt wird, so daß sich pro Arbeitsspiel gleiche Ventilhübe für alle Gaswechselventile 5 ergeben. Dies wäre theoretisch auch unter Zuhilfenahme von Wegsensoren im Bereich der Gaswech­ selventile technisch möglich. Diese Lösung scheidet aber aus Kosten- und Bauaufwandsgründen aus. Ferner ist zu beachten, dass die Abgasemission üblicherweise mittels einer einzigen Lambda-Sonde je Zylinderreihe eingeregelt wird.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft die mit dem vorgestellten va­ riablen Ventilbetätigungssystem nach Fig. 1 grundsätzlich einstellbaren Ventilhubkurven, die ausgehend von einem auf der Abszisse dargestellten maximalen Nockenwellenwinkel auch für reduzierte Ventilöffnungsspiele von 40 Grad, 80 Grad so­ wie 120 Grad Nockenwellenwinkel aufgetragen sind. Entlang der Ordinate ist der für jeden Nockenwellenwinkel mögliche Ventilhub aufgetragen, der zwangsläufig mit dem kleinsten Nockenwellenwinkel von 40 Grad auch den kleinsten Ventilhub von etwa 3,8 mm aufweist.

Die Fig. 3 zeigt erfindungsgemäß die einzelnen Verfahrens­ schritte zur Vergleichmäßigung der Ventilhübe und damit der Ventilöffnungszeiten für sämtliche Gaswechselventile 5 eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, der vorzugsweise mit dem aus Fig. 1 bekannten elektrohydraulischen Ventilbetätigungs­ system ausgerüstet ist. Unter Beachtung des Programmablaufs nach Fig. 3 lassen sich die eingangs bereits erwähnten sy­ stembedingten Unwägbarkeiten und Toleranzen in der Ansteue­ rung der Elektromagnetventile 7 sowie im Ventiltrieb derart ausregeln, dass jedes Ventilbetätigungssystem bei laufendem Verbrennungsmotor selektiv auf eine optimale Abgasemission abgestimmt wird, wobei die gewonnenen Ansteuerparameter für die Elektromagnetventile 7 in einem Datenspeicher abgelegt werden. Hierzu wird der Verbrennungsmotor vorzugsweise im Drehzahlband betrieben, in dem sich unzulässige Abweichungen der Abgasemission der einzelnen Motorzylinder voneinander ergeben. Die Abgasemission wird auf an sich bekannte Weise über einen Lambda-Regelkreis erfasst. Die Ansteuerspannung bzw. Ansteuerströme eines jeden Elektromagnetventils 7 wer­ den dann gemäß dem Programmablaufplan variiert und zylinder­ selektiv im Datenspeicher abgelegt und als Funktion der Mo­ tordrehzahl parameterhaft erfasst. Aufbauend auf dem so von Zylinder zu Zylinder festgelegten Parameterkennfeld erfolgt die gesamte Ansteuerung der Elektromagnetventile 7.

Das Verfahren zur Bestimmung der exakt synchronisierten Ven­ tilsteuerzeiten wird nunmehr im einzelnen anhand des Pro­ grammablaufplans nach Fig. 3 erläutert.

In jedem Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgt zum Zwecke der Ansteuerung und damit konkret zum Abgleich der Gaswech­ selventile 5 untereinander eine Initialisierung der Elektro­ magnetventile 7 aller Motorzylinder gemäß einem ersten Ope­ rationsschritt 9. In einem zweiten Operationsschritt 10 wird der schlechteste Abgaswert initiiert sowie die Anzahl der Iterationsschritte sowie die Iterationsschrittweite festgelegt. In einem dritten Operationsschritt gemäß der Raute 11 wird festgestellt, ob sich die Motordrehzahl in einem vorge­ gebenen Drehzahlband befindet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, erfolgt über eine Schleife 11a eine erneute Ab­ frage der Motordrehzahl aus dem Motorsteuergerät. Nur wenn sich der Verbrennungsmotor in dem vorgegebenen, insbesondere abgaskritischen Drehzahlband befindet, in dem ein Abgleich­ prozess der Elektromagnetventile 7 erfolgen soll, folgt der Aufruf eines Unterprogramms gemäß dem Operationsschritt 12, in dem in einem Datenspeicher des Motorsteuergeräts ein ak­ tuell gültiger und stabilisierter Abgaswert eingelesen wird, was beispielhaft über eine Verknüpfung zu einem Lambda- Regelkreis des Motormanagements geschehen kann. Danach wird gemäß der nachfolgenden Raute 13 überprüft, ob der aktuelle Abgaswert besser als der bisher gespeicherte Abgaswert ist. Ist diese Forderung erfüllt, wird im nächsten Schritt 14 der aktuelle Ansteuerwert für das zu aktivierende Elektromagnet­ ventil 7 als Funktion der Motordrehzahl und des zugehörigen Motorzylinders gespeichert. Ist jedoch die Forderung nach einem verbesserten Abgaswert nach Schritt 13 nicht erfüllt, wird anstelle dem Schritt 14 über die Schleife 14a das Ite­ rationsverfahren und damit die Ventilverstellung für den ge­ genwärtig betroffenen Motorzylinder fortgesetzt. Im Operati­ onsschritt 16 wird überprüft, ob sämtliche Iterationsschrit­ te durchlaufen sind. Sofern nicht alle Iterationsschritte durchlaufen sind, erfolgt über die Schleife 16a eine Wieder­ holung des Ventilabgleichverfahrens beginnend ab der Raute 2. Sofern aber sämtliche Iterationsschritte abgeschlossen sind, wird gemäß dem Feld 17 das nächste Elektromagnetventil 7 erfaßt. Im Schritt 18 wird überprüft, ob die Elektroma­ gnetventile 7 aller Motorzylinder adaptiert sind. Im Falle einer Verneinung erfolgt sodann über die Schleife 18a eine Wiederholung des Ablaufdiagramms beginnend mit dem Operationsschritt 10. Ist hingegen die Adaption aller Motorzylinder abgeschlossen, dann ist das hiermit erläuterte Ventilab­ gleichverfahren mit dem Schritt 19 beendet.

Erfasst man diesen Ventilabgleichprozess für die einzelnen Motorzylinder durch einen geeigneten Algorithmus, so lässt sich auf verhältnismäßig einfache Weise der Versatz der Ven­ tilsteuerzeiten gegenüber einer nominalen, d. h. nur Kurbel­ wellendrehwinkel-bestimmenden Vorgabe ermitteln, um hier den Optimierungsparameter Abgasqualität einzustellen.

In einer Erweiterung des Grundgedankens können Werte für verschiedene Drehzahlbereiche ermittelt und in einem Daten­ speicher des Motormanagements bzw. Motorsteuergeräts abge­ legt werden. Hierdurch kann ein Kennfeld oder ein Parameter­ satz für eine mathematische Beschreibung ermittelt werden.

Zur Bestimmung der Parameter kann der Algorithmus in einem Messlauf benutzt werden. Darüber hinaus kann der Algorithmus aber auch im normalen Betriebsmodus des Verbrennungsmotors genutzt werden, um beispielsweise eine Optimierung der Para­ meter, z. B. dem Einfluss der Alterung von Bauteilen entge­ genzuwirken. Hierzu wäre dann der Operationsschritt 2 nach Fig. 3 zu modifizieren und die Motordrehzahl als Index im Kennfeld anzugeben.

Zusammenfassend wird somit ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors dargestellt, das durch Variation der An­ steuerzeitpunkte der Elektromagnetventile 7 und damit der synchronen Betätigung der Gaswechselventile 5 (Einlaßventile) eine Optimierung der Abgaswerte ermöglicht, indem gewissermaßen durch ein nach Fig. 3 beschriebenes Suchverfahren die Ansteuerungsparameter der Elektromagnetventile 7 variiert werden. Hierdurch wird für ein Gütekrite­ rium oder auch mehrere Gütekriterien eine optimale Ventilan­ steuerung erreicht.

Unter Bezug auf den Programmablaufplan nach Fig. 3 ergibt sich somit für jeden Motorzylinder eine optimierte Strom­ kennlinie nach Fig. 4 für das jeweils zu aktivierende Elek­ tromagnetventil 7, wobei jeweils der optimale Stromverlauf als Funktion der Zeit und damit proportional zum Motorkur­ belwinkel sowie durch den Triggerpunkt T bestimmt wird. Aus dem erfindungsgemäßen Abgleichprozess resultiert eine säge­ zahnförmige Stromverlaufskennlinie, die mit einem ver­ gleichsweise geringen Ruhestrom I1 (Einschaltstrom) beginnt, die mit dem Anstieg auf den Erregerstrom I2 gleichzeitig den Magnetanker des Elektromagnetventils 7 in Bewegung versetzt und in Offenstellung hält, bis durch das Absenken des Erre­ gerstroms I2 auf den Haltestrom I3, der vom Betrag her ge­ ringfügig größer ist als der Ruhestrom I1, den Triggerpunkt T erreicht ist, so dass sich der Magnetanker des Elektroma­ gnetventils 7 wieder in seine ursprüngliche Ruhestellung be­ wegt. Der Triggerpunkt T ist aufgrund des in Fig. 3 darge­ stellten Verfahrens für jedes Elektromagnetventil 7 und da­ mit für jedes Gaswechselventil 5 im Motorzylinder in einem Datenspeicher des Motorsteuergeräts erfasst. Der zeitliche Verlauf des Stromimpulses als auch die Bewegungen des Magne­ tankers sind unterhalb der Stromkennlinie phasenidentisch aufgetragen, womit eine direkte Zuordnung der Stromimpuls­ dauer und der Magnetankerbewegung zur Stromkennlinie möglich ist.

Zusammenfassend ergibt sich ein Ventilansteuerverfahren, bei dem für jeden Motorzylinder die Abgasemission gemessen wer­ den und bei dem mit dem Ziel auf optimierte Abgaswerte anschließend alternierend die Ansteuerspannung bzw. der An­ steuerstrom als Funktion des Motorkurbelwinkels für jedes Elektromagnetventil 7 variiert wird sowie der optimale Trig­ gerpunkt T bestimmt wird. Die während des Verfahrens ermit­ telten optimale Schaltpunkte der Elektromagnetventile 7 wer­ den somit für jeden Motorzylinder individuell erfaßt und als Funktion der Motordrehzahl als Parameterfeld im Datenspei­ cher des Motorsteuergeräts abgespeichert. Aufbauend auf die­ sem festgelegten Parameterfeld erfolgt somit eine zylinder­ selektive Ventilansteuerung, die im vorliegenden Beispiel letztlich zu gleichen Ventilhüben der Gaswechselventile 5 führt.

Die Ventilhübe der Elektromagnetventile 7 müssen aber nicht unbedingt gleich sein, sondern können zur Lösung der ge­ stellten Aufgabe vielmehr bedarfsgerecht und damit wunschge­ recht, variiert werden. Nach diesem Ventilsteuerverfahren können auch die Toleranzen der Einspritzmenge durch zylin­ derselektive Ansteuerung der Einspritzventile 20 abgeglichen werden.

Die Erfindung ist nicht auf das konstruktive Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 beschränkt, sondern auch für alternative Ventiltriebkonstruktionen geeignet, die beispielsweise eine direkte elektromagnetische Betätigung der Gaswechselventile vorsehen und die entweder eine Saugrohr- oder Direktein­ spritzung aufweisen.

Bezugszeichenliste

1

Zylinderkopf

2

Nockenwelle

3

Stößelbaugruppe

4

Ansaugkanal

5

Gaswechselventil

6

Motorölpumpe

7

Elektromagnetventil

8

Zwischenspeicher

9-19

Operationsschritte

20

Einspritzventil

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbren­ nungsmotors, dessen Gaswechselventile entweder direkt elektromagnetisch oder mittels eines elektrohydrauli­ schen, mehrere Elektromagnetventile aufweisenden Ventil­ betätigungssystems hinsichtlich der Ventilöffnungscha­ rakteristik variabel einstellbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Elektromagnetventile (7) zwecks Ab­ gleich aller Gaswechselventile (5) auf eine gewünschte Ventilöffnungscharakteristik im Betrieb des Verbren­ nungsmotors zylinderselektiv mittels variabler Ansteuer­ spannungen und/oder Ansteuerströme (I1, I2, I3) betrie­ ben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich aller Elektromagnetventile (7) in Abhängig­ keit von den zylinderselektiven Abgasemissionen des Ver­ brennungsmotors erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Ventilöffnungscharakteristik aller Gas­ wechselventile (5) vorzugsweise in einem Datenspeicher eines Motorsteuergeräts erfolgt, und zwar durch nachfol­ gende Verfahrensschritte:

• a) Initialisierung der Anzahl der Elektromagnetventile (7) und/oder Einspritzventile (20) aller Motorzylinder,
• b) Initialisierung des Abgaswertes mit dem höchsten Emissionsgrad sowie Festlegung der Anzahl der Iterati­ onsschritte und Iterationsschrittweite,
• c) Überprüfen, ob die vorgegebene Motordrehzahl, insbe­ sondere die Motordrehzahl bei hohem Abgasgehalt, einge­ halten ist, in der eine unzulässige, zylinderselektive Streuung der Abgaswerte zu erwarten ist, ansonsten ist Schritt c) zu wiederholen,
• d) Einlesen des aktuell gültigen und stabilisierten Ab­ gaswertes in den Datenspeicher,
• e) Vergleichen des aktuellen Abgaswertes mit dem zuvor im Kennfeld des Datenspeichers abgelegten Abgaswertes,
• f) Speicherung des aktuellen Abgaswertes im Datenspei­ cher, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Motordreh­ zahl, sofern der aktuelle Abgaswert besser ist als der ursprüngliche im Kennfeld des Datenspeichers abgelegte Abgaswert,
• g) Iterationsschritte fortsetzen und Elektromagnetventi­ le (7) verstellen,
• h) Prüfen, ob weitere Iterationsschritte folgen sollen,
• i) Prüfen, ob die Ansteuerparameter aller Elektromagnet­ ventile (7) im Datenspeicher ermittelt wurden, falls nicht, nächstes Elektromagnetventil (7) auswählen und die Operation bei Schritt b) fortsetzen.