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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7, zum Steuern einer Brennkraftmaschine.
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Insbesondere betrifft die Erfindung somit z. B. die Steuerung von einem Otto- oder Dieselmotor, der als Antriebsquelle in einem herkömmlichen Kraftfahrzeug oder als eine von mehreren Antriebsquellen in einem Hybridfahrzeug verwendet wird. Aus diesem automobilen Anwendungsbereich sind Verfahren und Steuergeräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7 in vielfältigen Ausführungen bekannt.
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Die bei einer solchen Steuerung verwendete Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zur steuerbaren Umschaltung zwischen wenigstens zwei verschiedenen Betätigungscharakteristiken (”Hubkurven”) wenigstens eines mittels einer Nockenwelle betätigten Ventils (Einlassventil oder Auslassventil) ermöglicht vorteilhaft eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und/oder eine Leistungssteigerung im Vergleich zu Brennkraftmaschinen ohne Ventiltrieb-Verstelleinrichtung.
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Ventiltrieb-Verstelleinrichtungen bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Es seien hier beispielhaft drei erwähnt: Bei der Verstelleinrichtung ”Valvetronic” (BMW) wird mittels eines elektrischen Stellmotors und einer Exzenterwelle ein zwischen Nockenwelle und Ventilstössel angeordneter Betätigungsmechanismus zur Erzielung eines variablen Ventil(maximal)hubs in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine verstellt. Diese Verstellung des Ventilhubs kann kombiniert werden mit einer so genannten Nockenwellenphasenverstellung, bei welcher abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine außerdem eine relative Verstellung von Kurbelwelle und Nockenwelle zueinander und somit eine Veränderung der Ventil-Steuerzeiten vorgenommen wird. Von der Verstelleinrichtung ”VTEC” (Honda) existieren verschiedene Varianten, denen gemeinsam ist, dass in Abhängigkeit von bestimmten Parametern des Motorbetriebs eine Umschaltung zwischen verschiedenen Betätigungscharakteristiken erfolgt. Bei der Verstelleinrichtung ”Ti-VCT” (Ford) ist eine Verstellung mittels hydraulischer Aktuatoren vorgesehen. Die Verstellung wird in Abhängigkeit von der Motorlast stufenlos mittels einer elektronischen Kennfeld-Steuerung vorgenommen. Die drei vorstehend erwähnten Verstelleinrichtungen werden jeweils von einem elektronischen Motorsteuergerät gesteuert, welches auch die Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung vorgegebener Kraftstoffmengen ansteuert. Es ist jedoch auch möglich, derartige Ventiltrieb-Verstelleinrichtungen während des Motorbetriebs autonom bzw. mit einer vom eigentlichen Motorsteuergerät unabhängigen Steuereinrichtung anzusteuern. Hierfür sind z. B. hydraulische Aktoren (z. B. durch Motoröldruck beaufschlagt), pneumatische Ansteuerungen oder z. B. Fliehkraftversteller (z. B. für eine Kurbelwellendrehzahlabhängigkeit) denkbar.
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Die bekannten Ventiltrieb-Verstelleinrichtungen lassen sich außerdem hinsichtlich der Variabilität der Verstellung in zwei Kategorien unterteilen, nämlich diskontinuierlich variable Systeme und kontinuierlich variable Systeme.
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Ein diskontinuierlich variables System kann z. B. so aufgebaut sein, dass pro Ventil mehrere verschiedene Profile auf der Nockenwelle aufgebracht sind. Jedes Profil resultiert in einer anderen Hubkurve für das Ventil, wobei immer nur ein Profil aktiv sein kann und zwischen den verschiedenen Profilen umgeschaltet werden kann. Bei Konzepten dieser Art wird ein Wechsel der Hubkurve sprunghaft durchgeführt.
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Kontinuierlich variable Systeme bieten demgegenüber eine weitergehende Variabilität des Ventiltriebs. Da diese Systeme eine stufenlose Veränderung der Ventilbetätigungscharakteristik ermöglichen, entfallen damit z. B. die durch eine sprunghafte Umschaltung ansonsten entstehenden Schwierigkeiten. Kontinuierliche Systeme werden vor allem zur verlustarmen Laststeuerung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Beispielsweise kann über die Variabilität der Hubkurve eines Einlassventils die Luft- bzw. Gemischzufuhr zum Brennraum gesteuert werden.
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Insbesondere bei diskontinuierlich variablen Systemen, welche also eine sprunghafte Umschaltung zwischen verschiedenen Betätigungscharakteristiken vorsehen, sollte für eine optimale Steuerung der Verbrennung ebenfalls sprunghaft eine entsprechende Veränderung der zur Motorsteuerung verwendeten Parameter erfolgen. Hierzu zählen z. B. die Parameter, welche bei der Vorgabe (Berechnung) der einzuspritzenden Kraftstoffmengen und/oder der Einspritzzeitpunkte bzw. -kurbelwinkel verwendet werden. Um die Motorsteuerung im ”richtigen Moment” umschalten zu können, benötigt das Steuergerät jedoch eine zuverlässige Information über den aktuellen Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung. Diese Information muss ständig auf dem ”aktuellen Stand” gehalten werden bzw. bei einer Veränderung des Schaltzustandes entsprechend aktualisiert werden. Wenn ein Umschalten der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung beispielsweise zu irgendeinem Zeitpunkt während eines sequenziellen Betriebes einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine erfolgt, so sollte die veränderte Vorgabe der Parameter idealerweise bereits sofort für die diesem Zeitpunkt nachfolgende Motorsteuerung, insbesondere für die betreffenden Steuervorgänge (z. B. Zündung, Einspritzung etc.) spätestens des ”nächsten Zylinders” (in der Betriebssequenz) wirksam sein. Es ist also eine präzise Information über den Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung erforderlich, um die Verbrennung optimal zu steuern.
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Zwar könnte eine solche Information mittels eines an der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung installierten Lagesensors gewonnen werden, welcher ein den aktuellen Schaltzustand der Verstelleinrichtung darstellendes Lagesensorsignal an das Steuergerät liefert.
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Die Veröffentlichung
DE 100 64 650 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung von Gaswechselventilen mit variabler Öffnungsfunktion, wobei der kontinuierlichen Verlauf des Brennraumdrucks berücksichtigt wird. Zur Erfassung des tatsächlichen Ventilhubs wird die Verwendung eines Ventilhubsensor vorgeschlagen.
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Die Veröffentlichung
DE 103 56 257 A1 betrifft ein Steuerungsverfahren für eine Brennkraftmaschine, wobei der tatsächliche Ventilhub mit einer Wegsensor oder einem Lagesensor erfasst wird. Wie auch bei der vorangehend genannten Veröffentlichung nimmt dieser zusätzliche Sensor Bauraum ein und führt zu zusätzlichen Kosten.
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Die Veröffentlichung
DE 100 28 995 B4 beschreibt, eine Phasenlage einer Nockenwelle zu bewerten anhand der Erfassung von Schließgeräuschen, wobei der Geräuschverlauf über ein vorgegebenes Zeitfenster summiert wird, um die Stärke des Schließgeräuschs zu ermitteln.
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In der Veröffentlichung
DE 197 41 820 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung des Brennraumdruckverlaufs beschrieben, bei dem der kontinuierliche Druckverlauf und insbesondere Vorzeichenwechsel der zweiten Ableitung des Druckverlauf verwendet wird, um die Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu ermitteln.
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Die Veröffentlichung
DE 11 2008 001 529 T5 betrifft ein Verfahren zum Steuern mehrstufiger Ventilhubwechsel und erwähnt keine Erfassung von Öffnungs- oder Schließzeitpunkten.
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Die Veröffentlichung
DE 10 2006 062 038 A1 beschreibt eine Fehlererfassung für eine Ventil-Steuerzeitenregelung. Ein Innendrucksensor erfasst ein Signal, das im Frequenzraum analysiert wird, um den tatsächlichen Setzzeitpunkt zu erfassen, der zur Synchronisierung mit einem Soll-Setzzeitpunkt verwendet wird. Eine Setzzeitkorrektur dient zur korrekten Ventil-Steuerzeitendefinition. Neben der Ventil-Steuerzeitenregelung sind keine weitere Anwendungen genannt.
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Ein Lagesensorsignal könnte als Eingangsinformation bei der Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung durch das elektronische Motorsteuergerät berücksichtigt werden.
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Nachteilig würde die Anordnung eines Lagesensors an der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung jedoch einen gewissen konstruktiven Aufwand bedeuten, insbesondere wenn das davon gelieferte Sensorsignal den tatsächlichen aktuellen Schaltzustand mit großer Genauigkeit darstellen soll. Die genannten, von Drucksensordaten abgeleiteten Schließinformationen weisen eine verbesserungsbedürftige zeitliche Präzision auf und erfordern komplexe Berechnungen.
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Es wäre daher wünschenswert, die Gewinnung einer Information über den aktuellen Schaltzustand bzw. die aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zu vereinfachen, insbesondere um damit eine rasche und präzise Veränderung der Einspritzmengenvorgabe (und ggf. weiterer Steuervorgänge bzw. Parameter hierfür) in Folge einer Veränderung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Steuergerät gemäß Anspruch 7 gelöst. Es wird mindestens ein von einem Zylinderdrucksensor zur Messung des Drucks in einem zugeordneten Zylinder geliefertes Zylinderdrucksignal im Hinblick auf Störsignale in Form von Unstetigkeiten, die beim Öffnen oder Schließen eines Ein- oder Auslassventils entstehen, ausgewertet, wobei anhand der Unstetigkeiten Zeitpunkte des Öffnen oder Schließen identifiziert werden, und das Auswertungsergebnis bei einer Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung für die Vorgabe der einzuspritzenden Kraftstoffmengen und/oder der Einspritzzeitpunkte berücksichtigt.
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Dieses Auswertungsergebnis kann als solches als ein die aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung darstellendes ”Sensorsignal” verwendet werden. Alternativ kann dieses Auswertungsergebnis jedoch auch in Ergänzung zu einem Lagesensorsignal dem Steuergerät zugeführt werden, sei es z. B. um eine Redundanz bei der Ermittlung der aktuellen Einstellung oder z. B. eine Verbesserung der Genauigkeit bei dieser Ermittlung zu realisieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Auswertungsergebnis außerdem zur Durchführung einer Diagnose hinsichtlich einer einwandfreien Funktion der Ventiltrieb-Umschaltung verwendet werden kann. Falls z. B. mittels des Steuergerätes eine Umschaltung angesteuert wird, das Auswertungsergebnis jedoch keine ordnungsgemäße tatsächliche Verstellung (Umschaltung) widerspiegelt, so liegt ein Fehler vor, bei dessen Detektion eine geeignete Warnung generiert bzw. ein Eintrag in einem Diagnosespeicher veranlasst werden kann.
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Zylinderdrucksensoren sind im Bereich der Motortechnik an sich bekannt und dienen der Messung des Zylinderdrucks. Das Zylinderdrucksignal wird im Stand der Technik lediglich für die Auswertung der Verbrennung herangezogen. Damit können z. B. Fehler bei der Zumessung des Kraftstoffes, der Luftmasse oder eines zurückgeführten Verbrennungsabgasanteils bestimmt bzw. korrigiert werden. Im Falle einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine wird im Stand der Technik hierfür entweder nur ein einziger Zylinderdrucksensor an einem der Zylinder als Repräsentant für die Gesamtheit aller Zylinder herangezogen, oder alternativ für jeden Zylinder ein eigener Zylinderdrucksensor vorgesehen.
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Die vorliegenden Erfinder haben nun erkannt, dass derartige Zylinderdrucksensoren üblicherweise eine so hohe Empfindlichkeit bzw. ein so hohes Auflösungsvermögen bei der Messung des Zylinderdruckes besitzen, dass diese auch anfällig für Störgeräusche sind, die sich (als Körperschall) durch einen z. B. metallischen Zylinderblock ausbreiten. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die durch derartige Störgeräusche hervorgerufenen Störsignale, die auf Unstetigkeiten erzeugt durch das Öffnen oder Schließen eines Ein- oder Auslassventils beruhen, in einem oder mehreren Zylinderdrucksignalen, die durch einen oder mehrere Zylinderdrucksensoren erfasst werden, als Informationsquelle betreffend den Motorzustand, insbesondere Zustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zu nutzen. Wenn eine oder mehrere Nockenwellen sich drehen, um damit den Ventiltrieb (Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen) zu bewerkstelligen, so entstehen Geräusche, welche zu charakteristischen Störsignalen in dem bzw. den Zylinderdrucksignalen führen. Durch die erfindungsgemäße Auswertung des (wenigstens einen) Zylinderdrucksignals im Hinblick auf solche Störsignale können somit vorteilhaft Rückschlüsse auf die aktuelle Einstellung gezogen werden. Dies z. B. durch Anwendung geeignet vorbestimmter Auswertungskriterien, anhand derer im Motorsteuergerät eine Identifikation von Vorgängen im Ventiltrieb erfolgt, und nachfolgende Ermittlung der aktuellen Einstellung anhand der zuvor identifizierten Vorgänge im Ventiltrieb.
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Ein Auswertungskriterium ist es, plötzliche Änderungen, also etwa Unstetigkeiten bzw. ”Signalspitzen” im gemessenen Druckverlauf zu detektieren und anhand ihrer Charakteristik (z. B. Amplitude, Frequenzanteile, Dauer etc.) und/oder anhand zusätzlicher Informationen über die Motorposition (z. B. Kurbelwellensignal, Nockenwellensignal etc.) einem ganz bestimmten Vorgang im Ventiltrieb (z. B. Ventilöffnungs- oder Ventilschließungsvorgang) zuzuordnen. Eine derartige Vorgehensweise ist wesentlich einfacher, schneller und oftmals präziser als z. B. eine Auswertung auf Basis eines Vergleiches des gemessenen Druckverlaufes (Zylinderdrucksignal) mit vorab gespeicherten typischen Druckverläufen.
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Die Auswertung umfasst eine Identifikation von Zeitpunkten bzw. Kurbelwinkeln, bei denen Einlassventile und/oder Auslassventile geöffnet oder geschlossen werden. Für diesen Auswertungsschritt werden Störsignale detektiert, die durch die betreffenden Ventile bei deren Betätigung hervorgerufen werden.
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Ein in der Praxis besonders deutlich hervortretendes und somit vergleichsweise einfach durch eine Auswertung detektierbares Störsignal ergibt sich z. B. beim Abschluss eines Schließvorganges eines Ventils (Einlass- oder Auslassventil). Das zu diesem Zeitpunkt erfolgende Aufsetzen eines Ventilkörpers (z. B. Ventilteller) auf eine Dichtungsfläche im Bereich einer den zugehörigen Zylinder begrenzenden Wandung führt zu einer mechanischen Erschütterung, die sich als Störsignal (z. B. ”Signalspitze”) im eigentlichen Nutzsignal (repräsentativ für den Zylinderdruck) sehr deutlich bemerkbar macht.
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Im Fall einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist es insbesondere im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Identifizierung desjenigen Ventils, welches ein bestimmtes Störsignal hervorgerufen hat, bevorzugt, dass die Zylinderdrucksignale von sämtlichen Zylindern jeweils zugeordneten Zylinderdrucksensoren ausgewertet werden. Hierfür muss jeder Zylinder mit mindestens einem Zylinderdrucksensor versehen sein, der z. B. im Bereich eines betreffenden Zylinderkopfes eingebaut sein kann.
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Grundsätzlich können mit einem Zylinderdrucksensor und geeigneter Auswertung des davon gelieferten Zylinderdrucksignals die Geräusche des Öffnens bzw. des Schließens des Einlass- wie auch des Auslassventils erfasst werden. Für die Ermittlung der aktuellen Einstellung (Schaltzustand) der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung während des Motorbetriebes können dementsprechend insbesondere die Zeitpunkte von Störsignalen berücksichtigt werden, welche durch ein Öffnen oder ein Schließen eines Einlassventils oder eines Auslassventils hervorgerufen werden. Die jeweilige Stärke der dadurch hervorgerufenen Störsignale hängt z. B. von der konkret gewählten Einbauposition des Sensors ab. Durch einen entsprechenden Einbau des Zylinderdrucksensors, beispielsweise näher einem Einlassventil als einem Auslassventil des betreffenden Zylinders, können qualitativ und/oder quantitativ im Rahmen der Auswertung voneinander unterscheidbare Störsignale einerseits des Einlassventils und andererseits des Auslassventils hervorgerufen werden, so dass vorteilhaft das ein bestimmtes Störsignal hervorrufende Ventil in einfacher Weise identifiziert werden kann (z. B. anhand der Störsignalamplitude).
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Falls es sich bei dem zur Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung als Eingangsgröße berücksichtigten Auswertungsergebnis um die Zeitpunkte bzw. Kurbelwinkel handelt, zu denen ein bestimmter Ventilöffnungsvorgang beginnt, oder Ventilschließvorgang endet, so kann im Steuergerät eine Ermittlung des aktuellen Schaltzustandes der Verstelleinrichtung z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass anhand eines vorbestimmten Algorithmus (bzw. mittels eines im Steuergerät abgespeicherten Kennfeldes oder dergleichen) der Rückschluss auf den Verlauf des gesamten Ventilbetätigungsvorganges (”Hubkurve”) gezogen wird. Die Information über den Verlauf der Hubkurve (z. B. in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel) ist jedoch gleichbedeutend mit einer Information über die aktuelle Einstellung (Schaltzustand) der Verstelleinrichtung.
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Eine Voraussetzung für das Funktionieren dieser Methode der Ermittlung der aktuellen Einstellung kann ein vorgegebener Zusammenhang zwischen den Ventilsteuerzeiten (d. h. denjenigen Zeitpunkten bzw. Kurbelwinkeln, zu denen ein Ventilöffnungsvorgang beginnt bzw. ein Ventilschließvorgang endet) und/oder Ventilöffnungsdauer einerseits und der aktuellen Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung andererseits sein.
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Diese Voraussetzung ist z. B. dann erfüllt, wenn die variable Einstellung durch wenigstens zwei (oder mehr) von sich in einer Auftragung des Ventilhubs gegen den Kurbelwinkel in ihren Steuerzeiten unterscheidende Hubkurven repräsentiert wird. In diesem Fall bedeuten verschiedene Ventilsteuerzeiten verschiedene Hubkurven, so dass unter Berücksichtigung der konkreten Funktionsweise der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung aus der Kenntnis dieser Ventilsteuerzeiten auf die dann eindeutig zugeordneten Hubkurven (gleichbedeutend: Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung) geschlossen werden kann. Letzterer Rückschluss kann z. B. mittels geeigneter Auswertungssoftware im Steuergerät durchgeführt werden, mittels welcher auch die vorausgehende Ermittlung der Ventilsteuerzeiten bewerkstelligt wird.
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Mit der Erfindung kann somit unabhängig von einem gegebenenfalls im Bereich der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung vorgesehenen Lagesensor eine Information über die aktuelle Einstellung dieser Verstelleinrichtung gewonnen werden. Somit ist es insbesondere möglich, auf einen eigens hierfür vorgesehenen Lagesensor zu verzichten. Die ”Zweckentfremdung” wenigstens eines Zylinderdrucksensors im Rahmen der Erfindung schließt hierbei keineswegs aus, dass das oder die gewonnenen Zylinderdrucksignale auch in ”herkömmlicher Weise”, also zur Beurteilung der Verbrennungsqualität im Motorbetrieb verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Veränderung (Umschaltung) der Betätigungscharakteristik des betreffenden Ventils eine Ventilhubverstellung umfasst. Damit ist gemeint, dass die Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zur Erzielung unterschiedlicher Ventilmaximalhübe angesteuert werden kann. In diesem Fall unterscheiden sich die verschiedenen Betätigungscharakteristiken hinsichtlich eines maximalen Ventilhubes voneinander.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Veränderung (Umschaltung) der Betätigungscharakteristik des betreffenden Ventils eine Nockenwellenphasenverstellung umfasst. Damit ist in einem weiteren Sinne gemeint, dass die Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeiten des betreffenden Ventils umschaltbar ist. Im engeren Sinne kann die ”Nockenwellenphasenverstellung” die hierfür geeignete Relativverdrehung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle bezeichnen. In diesem Fall unterscheiden sich die Betätigungscharakteristiken hinsichtlich einer Nockenwellenphase voneinander.
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In einer bevorzugten, die vorstehend genannten Möglichkeiten kombinierenden Ausführungsform umfasst die durch die Umschaltung bewirkte Veränderung der Betätigungscharakteristik sowohl eine Ventilhubverstellung als auch eine Nockenwellenphasenverstellung (also Veränderung der Steuerzeiten) des betreffenden Ventils.
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In einer Ausführungsform ist eine Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Betätigungscharakteristiken des betreffenden Ventils vorgesehen, wobei durch die Umschaltung zumindest der Ventil(maximal)hub verändert wird.
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Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen ist ein Nockenwellensensor vorgesehen, der ein vom Nockenwellenwinkel abhängiges Nockenwellensignal liefert. Diesbezüglich ist jedoch auf die im Rahmen der Erfindung prinzipiell denkbare Möglichkeit hinzuweisen, auf die Nutzung eines Nockenwellensensors bzw. des damit gelieferten Nockenwellensignals bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels zu verzichten. Prinzipiell ist es denkbar, zu diesem Zweck das Auswertungsergebnis betreffend die Störsignale des Zylinderdrucksignals zu nutzen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Nockenwellensensor vorhanden ist, kann eine aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung z. B. dadurch ermittelt werden, dass ein auf Basis des Auswertungsergebnisses detektierter Zeitpunkt oder Kurbelwinkel eines bestimmten Ereignisses eines Ventilbetätigungsvorganges in Relation zu einem auf Basis des Nockenwellensignals detektierten Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel eines anderen bestimmten Ereignisses desselben Ventilbetätigungsvorganges gesetzt wird.
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Bei dem auf Basis des Auswertungsergebnisses detektierten Zeitpunkt kann es sich insbesondere um denjenigen Zeitpunkt (gleichbedeutend Kurbelwinkel) handeln, zu dem ein bestimmtes Ventil schließt (Aufsetzen eines Ventilkörpers an einer Ventildichtfläche). Dieser Zeitpunkt kann z. B. in Relation zu dem auf Basis des Nockenwellensignals (üblicherweise unter Mitberücksichtigung des Kurbelwellensignals) ermittelten Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel gesetzt werden, zu welchem zuvor der Ventilöffnungsvorgang begann. Aus diesen beiden Zeitpunkten bzw. Kurbelwinkeln lässt sich dann durch eine einfache Differenzbildung die Zeitspanne bzw. Kurbelwinkeldifferenz zwischen Beginn und Ende der Ventilbetätigung ermitteln (berechnen). Aus dieser Differenz kann dann wiederum unter Verwendung eines geeigneten Softwarealgorithmus bzw. vorab gespeicherter Daten (z. B. Kennfeld) auf die aktuelle Einstellung (Schaltzustand) der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung geschlossen werden.
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Diese Methode der Ermittlung der aktuellen Einstellung funktioniert z. B. dann, wenn die Variabilität der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung so realisiert ist, dass der Öffnungszeitpunkt für die verschiedenen Hubkurven gleich bleibt (und nur der Schließzeitpunkt (und ggf. Maximalhub) durch die Umschaltung verändert wird). In diesem Fall ergeben sich für verschiedene Hubkurven stets verschiedene Zeit- bzw. Kurbelwinkeldifferenzen zwischen Beginn und Ende der Ventilbetätigung. Alternativ zu einer Ermittlung des aktuellen Schaltzustandes anhand dieser Differenz kann dies auch anhand lediglich des Schließzeitpunktes erfolgen.
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Diese Methode, auf Basis einer Ermittlung eines Ventilschließzeitpunktes auch die zugehörige Hubkurve bzw. den Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung zu ermitteln, gelingt jedoch z. B. auch dann, wenn mit der Umschaltung der Verstelleinrichtung keine Veränderung des Ventilschließzeitpunktes sondern nur des Ventil(maximal)hubs einhergeht. In diesem Fall wird sich nämlich das sich durch Aufsetzen des Ventilkörpers (z. B. Ventilteller) auf die betreffende Ventildichtfläche (z. B. Einlassmündung an einem Zylinderkopf) ergebende Störgeräusch in der Regel in Abhängigkeit vom zuvor erreichten Ventilhub verändern. Dies z. B. bedingt durch eine vom zuvor erreichten Ventilmaximalhub abhängige Geschwindigkeit, mit welcher der Ventilkörper an der Dichtfläche auftrifft. Nachdem derartige Unterschiede des verursachten Geräusches bzw. Körperschalls jedoch bei der Auswertung des Zylinderdrucksignals detektiert werden können, kann auch in diesem Fall ein entsprechender Rückschluss auf den zuvor erreichten Ventilmaximalhub bzw. somit die Einstellung (Schaltzustand) der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung gezogen werden.
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Wie bereits erwähnt ist es denkbar, im Rahmen der Erfindung auf einen für die Ermittlung des Nockenwellenwinkels vorgesehenen Nockenwellensensor zu verzichten. Falls ein solcher Nockenwellensensor jedoch vorgesehen ist, so kann die vom Steuergerät durchgeführte Ermittlung des Nockenwellenwinkels im Rahmen der Erfindung vorteilhaft z. B. zusätzlich unter Berücksichtung des Ergebnisses der Auswertung des Zylinderdrucksignals bewerkstelligt sein.
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Die Information darüber, ob und wie schnell sich die Kurbelwelle dreht, wird bei bekannten Motoren anhand des Kurbelwellensignals gewonnen. Es handelt sich hierbei üblicherweise um ein ”Zahnsignal”: Jeder Impuls des Kurbelwellensignals entspricht einem Zahn eines mit einer Vielzahl von Zähnen versehenen Geberrades. Ein für jeweils eine Kurbelwellenumdrehung (360°) vorgesehener Synchronisationsimpuls entspricht üblicherweise einer einfachen oder doppelten ”Zahnlücke” nach der entsprechenden Anzahl von Zähnen.
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Das Nockenwellensignal dient zur Kodierung des Nockenwellenwinkels, und hat im einfachsten Fall zwei unterschiedliche Pegel, die zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle zugeordnet sind. Das Nockenwellensignal kann jedoch auch andere Signal- bzw. Impulsformen aufweisen. Es sollte jedoch gewährleistet sein, dass das Nockenwellensignal eine Unterteilung jedes Arbeitsspiels des Motors in zwei Segmente (von jeweils 360°) entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen (720°) erlaubt.
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Derartige, an sich bekannte Kurbelwellensignale und Nockenwellensignale können vorteilhaft auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein (vgl. z. B.
DE 100 56 862 C1 ).
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auswertungsergebnis zur Plausibilisierung des vom Kurbelwellensensor gelieferten Kurbelwellensignals und/oder des vom Nockenwellensensor gelieferten Nockenwellensignals verwendet wird. Damit kann beispielsweise der Fall einer fehlerhaften (defekten) Erzeugung des Kurbelwellensignals und/oder des Nockenwellensignals diagnostiziert, und beispielsweise in einem bei Kraftfahrzeugen üblichen Diagnosespeicher als Fehlereintrag gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Plausibilisierung auch zur Diagnose von irgendwelchen Montagefehlern, beispielsweise von falsch montierten Nockenwellenantrieben wie Zahnriemen oder Ketten verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die erwähnte Plausibilisierung des Kurbelwellen- und/oder Nockenwellensignals noch weiteren Zwecken dienen.
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So ist gemäß einer Weiterbildung beispielsweise vorgesehen, dass das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf Störsignale bei Feststellung eines unplausiblen Kurbelwellensignals als Ersatz für dieses Kurbelwellensignal oder zur Berichtigung dieses Kurbelwellensignals und/oder bei Feststellung eines unplausiblen Nockenwellensignals als Ersatz für dieses Nockenwellensignal oder zur Berichtigung dieses Nockenwellensignals verwendet wird.
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Insbesondere kann das gemäß der Erfindung vorgesehene Auswertungsergebnis somit auch zur Drehzahlberechnung und/oder Realisierung eines Notlaufes bei defektem Kurbelwellensensor bzw. einem Defekt im Bereich der Bereitstellung des Kurbelwellensignals (an das Steuergerät) verwendet werden. Dasselbe gilt für den Fall eines defekten Nockenwellensensors bzw. einer fehlerhaften Bereitstellung des Nockenwellensignals.
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Eine weitere im Rahmen der Erfindung interessante Möglichkeit besteht darin, das Auswertungsergebnis zur Erkennung und dann bevorzugt auch Adaption von Abweichungen im Ventiltrieb bzw. der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung in Folge von Bauteiltoleranzen und/oder Alterungen zu berücksichtigen. Durch Bauteiltoleranzen und Alterungen kann es insbesondere zu einer Abweichung der konstruktiv vorgesehenen Zeiten bzw. Winkel für Ventilöffnungsvorgänge und Ventilschließvorgänge kommen. In diesem Fall wäre die lediglich anhand des Nockenwellensignals und/oder eines Lagesensorsignals der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung gewonnene Information ungenau, was die Zeitpunkte bzw. Winkel der tatsächlichen Öffnungs- und Schließvorgänge anbelangt. Da mittels der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf Störsignale jedoch die tatsächlichen Öffnungs- und/oder Schließvorgänge der Ventile detektiert werden können, stellt das Auswertungsergebnis eine in der Praxis äußerst wertvolle Informationsquelle für die Motorsteuerung und insbesondere die Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung dar.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Berücksichtigung des Ergebnisses der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf die Störsignale (bzw. Mitberücksichtigung neben einem Kurbelwellensignal und/oder Nockenwellensignal) liefert das Zylinderdrucksignal einen zusätzlichen Nutzen für eine Ermittlung der aktuellen Einstellung von Ventiltrieb-Verstelleinrichtungen wie z. B. diskontinuierlich variablen Systemen, bei denen für das betreffende Ventil verschiedene Profile auf der Nockenwellen aufgebracht sind, wobei zwischen den verschiedenen Profilen gewechselt werden kann. Vorteilhaft kann das auf Basis des Zylinderdrucksignals gewonnene Auswertungsergebnis insbesondere zur Ermittlung der genauen (tatsächlichen) aktuellen Funktion der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung genutzt werden. Aus dem Auswertungsergebnis gehen präzise Zeitpunkte der relevanten Vorgänge im Ventiltrieb hervor, welche als eine wertvolle Ist-Information für eine ansonsten z. B. in herkömmlicher Weise implementierten Weiterverarbeitung bzw. Nutzung der Information über den Schaltzustand dienen können.
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Ein zum Steuern der Brennkraftmaschine verwendetes Steuergerät kann in herkömmlicher Weise als ein elektronisches, insbesondere programmgesteuertes Steuergerät (z. B. Mikrocontroller) vorgesehen sein. Im Rahmen der Erfindung ist das Steuergerät jedoch derart weitergebildet (z. B. durch eine entsprechende Modifikation der Steuersoftware), dass damit ein Steuerverfahren der oben beschriebenen Art durchgeführt wird.
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Die oben für das Steuerverfahren bereits beschriebenen Besonderheiten bzw. Ausführungsvarianten können in analoger Weise zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Steuergerätes vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine in Form eines 4-Takt-Ottomotors,
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2 eine Darstellung eines Zylinderdrucksignalverlaufes in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bei dem Motor von 1,
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3 eine Auftragung des hochpassgefilterten Zylinderdrucksignals über den Kurbelwinkel,
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4 zwei Zylinderdrucksignalverläufe in einer Darstellung entsprechend der 2, für zwei verschiedene Schaltzustände einer Ventiltrieb-Verstelleinrichtung bei dem Motor von 1, und
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5 eine Darstellung verschiedener Ventilhubkurven in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und dem Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung bei dem Motor von 1.
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1 veranschaulicht eine Brennkraftmaschine 10, bei welcher es sich hier beispielhaft um einen Vierzylinder-4-Takt-Ottomotor handelt.
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Jedem Zylinder 12 ist mindestens ein Einspritzventil bzw. Kraftstoffinjektor 14 zum Einspritzen von Kraftstoff (hier: Benzin) in ein einlassseitiges Saugrohr der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet.
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Des Weiteren ist jedem Zylinder 12 jeweils mindestens ein Einlassventil 16 und mindestens ein Auslassventil 18 sowie mindestens eine Nockenwelle zur Betätigung der Einlass- und Auslassventile zugeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Nockenwelle 20 zur Betätigung der Einlassventile 16 und eine weitere (nicht dargestellte) Nockenwelle zur Betätigung der Auslassventile 18 vorgesehen.
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In an sich bekannter Weise besteht zwischen den Nockenwellen und einer Kurbelwelle 22 eine z. B. über eine Steuerkette oder dergleichen realisierte Drehkopplungsverbindung, welche dafür sorgt, dass die Nockenwellen im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 22 umlaufen, um damit ein Arbeitsspiel bzw. einen Gaswechsel gemäß des 4-Takt-Verfahrens zu bewerkstelligen.
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Einem elektronischen Steuergerät 24 werden unter anderem ein von der Drehstellung der Nockenwelle 20 abhängiges Nockenwellensignal CAM und ein von der Drehstellung der Kurbelwelle 22 abhängiges Kurbelwellensignal CRK eingegeben. Diese Signale CAM und CRK werden durch eine geeignete Sensorik, hier einen Nockenwellensensor 26 und einen Kurbelwellensensor 28, erzeugt.
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In an sich bekannter Weise werden die Signale CAM und CRK jeweils als Rechtecksignale erzeugt.
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Jeder Impuls des Kurbelwellensignals CRK entspricht einem Zahn eines Geberrades, wobei eine doppelte Zahnlücke für einen Synchronisationsimpuls nach jeweils einer vollen Umdrehung (360°) der Kurbelwelle 22 sorgt. Typischerweise sind am Umfang des Geberrades z. B. 30 oder 60 Zähne (abzüglich der an der ”Lücke” fehlenden Zähne) angeordnet.
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Die beiden unterschiedlichen Pegel des Nockenwellensignals CAM entsprechen zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 22.
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Bezüglich dieser Kodierungen der Drehstellungen der Kurbelwelle
22 und der Nockenwelle
20 sei hiermit z. B. auf die Deutsche Patentschrift
DE 100 56 862 C1 verwiesen, in welcher sich im Motorbetrieb ergebende zeitliche Verläufe solcher Sensorsignale CRK und CAM zeichnerisch dargestellt und näher beschrieben sind.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 steuert das elektronische Steuergerät 24 insbesondere die Kraftstoffeinspritzung (Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen) in die Zylinder 12 mittels des jeweils zugeordneten Kraftstoffinjektors 14 (Ansteuersignal INJ). Darüber hinaus werden mit dem Steuergerät 24 noch andere Vorgänge der Brennkraftmaschine 10 gesteuert, wie hier insbesondere eine Fremdzündung (Zündzeitpunkte) mittels einer jedem Zylinder 12 jeweils zugeordneten Zündkerze 30 (Hochspannungsimpuls IGN).
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Eine in 1 symbolisiert eingezeichnete Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 dient zur steuerbaren Veränderung der Betätigungscharakteristik des mittels der Nockenwelle 20 betätigten Ventils (hier: Einlassventil 16).
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Zwar besteht auch im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen Nockenwelle 20 und Kurbelwelle 22 eine feste Winkelzuordnung durch eine drehfeste Kopplung (bei welcher die Nockenwelle 20 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 22 umläuft).
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Die Betätigung des Einlassventils 16 erfolgt jedoch nicht unmittelbar bzw. mittelbar über einen invariablen Mechanismus (z. B. einfache Kipphebel etc.), sondern wie in 1 dargestellt über die mittels eines vom Steuergerät 24 ausgegebenen Einstellsignals VADJ steuerbare Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21. Damit kann die Betätigungscharakteristik, hier also der Zusammenhang zwischen aktueller Drehwinkelstellung der Nockenwelle 20 (Nockenwellenwinkel) und aktuellem Ventilhub VLFT (vgl. 5) des Ventils 16 umgeschaltet werden. Im dargestellten Beispiel sind lediglich zwei verschiedene Betätigungscharakteristiken für dieses Ventil 16 vorgesehen, nämlich eine mit relativ großem Ventil(maximal)hub und eine mit relativ kleinem Ventil(maximal)hub. Bei einer Umschaltung zwischen diesen beiden Betätigungscharakteristiken wird im dargestellten Beispiel nicht der kurbelwinkelmäßige Beginn der Ventilbetätigung, sondern lediglich der im Verlauf der Ventilbetätigung maximal erreichte Ventilhub sowie die zeitliche Dauer der Ventilbetätigung (und somit das kurbelwinkelmäßige Ende) der Ventilbetätigung verändert.
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5 zeigt die entsprechenden Hubkurven L16-1 (für das Einlassventil 16, bei großem Hub) und L16-2 (für das Einlassventil 16, bei kleinem Hub). Außerdem ist in 5 eine Hubkurve L18 für das Auslassventil 18 eingezeichnet. Insbesondere für eine optimale Vorgabe der Einspritzzeitpunkte und/oder der einzuspritzenden Kraftstoffmengen in Abhängigkeit vom aktuellen Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 ist es erforderlich, eine möglichst genaue Information über die aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 zu gewinnen. Hierfür könnte z. B. ein entsprechender ”Lagesensor” vorgesehen sein, welcher wie in 1 mit der gestrichelten Linie symbolisiert ein entsprechendes Sensorsignal an das Steuergerät 24 liefert. Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass ein solcher Lagesensor bei der dargestellten Brennkraftmaschine 10 entbehrlich ist, da die aktuelle Einstellung (Schaltzustand) der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 wie hier beschrieben in anderer Weise ermittelt werden kann.
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Der Zweck der Umschaltung der Ventilbetätigungscharakteristik ist es, in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern des betreffenden Motors (Last, Drehzahl etc.) die Ventilsteuerzeiten zu verändern (z. B. um die so genannte Ventilüberschneidung zu variieren) und/oder den Ventil(maximal)hub in Abhängigkeit von derartigen Betriebsparametern zu variieren. 5 veranschaulicht die im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehene Veränderung der Betätigungscharakteristik, bei welcher sowohl die Ventilbetätigungsdauer als auch der Ventilhub des Einlassventils 16 variiert werden.
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Mittels des vom Steuergerät 24 gemäß eines Algorithmus zur Steuerung der Einrichtung 21 erzeugten Einstellsignals VADJ kann hierfür z. B. ein elektromechanischer oder elektrohydraulischer Aktor angesteuert werden, der als ein Stellglied zur Umschaltung zwischen den zwei Betätigungscharakteristiken (entsprechend den Hubkurven L16-1 und L16-2 in 5) in der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 angeordnet ist.
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Die durch Umschaltung bewirkte Veränderung der Betätigungscharakteristik (hier: für das Einlassventil 16) könnte abweichend vom dargestellten Beispiel auch mittels einer Steuereinrichtung realisiert sein, die unabhängig von dem Steuergerät 24 ist. Hierfür kommt z. B. in Betracht, einen hydraulischen Umschaltmechanismus zur Umschaltung in Abhängigkeit von einem Motoröldruck einzusetzen.
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Falls abweichend vom dargestellten Beispiel mit der Veränderung der Betätigungscharakteristik eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten (Verfrühung oder Verspätung) bewirkt werden soll, so könnte dies auch mittels einer Ventiltrieb-Verstelleinrichtung in Form eines so genannten ”Phasenwandlers” realisiert werden, mittels welchem z. B. Last- und/oder Drehzahl-abhängig eine Verdrehung der betreffenden Nockenwelle (hier: Nockenwelle 20) gegenüber der Kurbelwelle (und/oder gegenüber einer weiteren Nockenwelle) erfolgt. Derartige Verstellsysteme sind die am weitesten verbreiteten variablen Ventilsteuerungen im Serieneinsatz von Kraftfahrzeugmotoren. Die Nockenprofile selbst und somit der maximale Ventilhub und die Ventilöffnungsdauer bleiben bei derartigen speziellen Verstelleinrichtungen (Phasenwandler) zumeist unverändert.
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Nach einer Initiierung der Umschaltung der Betätigungscharakteristik mittels des Einstellsignals VADJ vergeht eine gewisse Zeit, bis die neue Betätigungscharakteristik tatsächlichwirksam ist. Diese Zeit hängt von einer Vielzahl von Umständen ab. Dazu zählen nicht nur Motorparameter wie z. B. die Drehzahl etc., zu denen dem Motorsteuergerät genaue Informationen vorliegen, sondern auch Umstände, zu denen keine solchen Informationen vorliegen. Nachdem die Zeit zwischen Initiierung und Wirksamwerden der neuen Betätigungscharakteristik daher in der Praxis variiert und nicht ganz exakt vorhersehbar ist, stellt das initiierende Ansteuersignal VADJ selbst kein ”Sensorsignal” dar, welches eine genaue Vorhersage für den Zeitpunkt der tatsächlichen Umschaltung des Ventiltriebes erlauben würde. Zu bedenken ist außerdem, dass z. B. durch Toleranzen und Alterungserscheinungen im Laufe der Zeit Abweichungen zwischen der konstruktiv vorgesehenen und der tatsächlich realisierten Betätigungscharakteristik auftreten können. Letztere Problematik könnte prinzipiell zwar durch den bereits erwähnten ”Lagesensor” gelöst werden. Damit verbunden ist jedoch ein entsprechender konstruktiver Aufwand zur Bereitstellung des Lagesensorsignals, insbesondere wenn dieses Signal mit hoher Genauigkeit die aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung darstellen soll.
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Diese Problematik ist bei der dargestellten Brennkraftmaschine 10 dadurch gelöst, dass jedem der Zylinder 12 ein Zylinderdrucksensor 32 zugeordnet ist, welcher ein den aktuellen Zylinderdruck darstellendes Zylinderdrucksignal P (vgl. 2) an das Steuergerät 24 liefert. Mittels der im Steuergerät 24 ablaufenden Motorsteuersoftware wird das Zylinderdrucksignal P für die Auswertung der Verbrennung in den Zylindern 12 und darauf aufbauend für die Zumessung des Kraftstoffes, der Luftmasse oder eines zurückzuführenden Verbrennungsabgasanteils herangezogen. Für die Lösung der vorstehend erläuterten Problematik entscheidend ist jedoch, dass mittels des Steuergerätes 24 ferner eine Auswertung des Zylinderdrucksignals P im Hinblick auf darin enthaltene Störsignale durchgeführt wird, und dass das Ergebnis dieser Auswertung als eine Eingangsgröße bei der Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 berücksichtigt wird. Wie nachfolgend erläutert, erlauben diese Störsignale Rückschlüsse auf die Stellungen der Ventile und somit auch z. B. auf die aktuelle Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21.
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Jeder Zylinderdrucksensor 32 kann vorteilhaft nach allen aus dem Stand der Technik bereits bekannten Druckmessprinzipien aufgebaut sein und funktionieren. Wenngleich das davon gelieferte Sensorsignal P in erster Linie von dem im betreffenden Zylinder 12 herrschenden Druck bestimmt wird, so ergibt sich in der Praxis, gewissermaßen als Artefakt der Druckmessung, eine Beeinflussung des Sensorsignals P durch Geräusche bzw. durch Körperschall, welcher zu den Zylinderdrucksensoren übertragen wird.
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Verursacht werden solche Geräusche prinzipiell z. B. durch sämtliche mechanischen Vorgänge im Ventiltrieb. Unter den somit erzeugten Störsignalen sind wiederum insbesondere diejenigen dominierend, welche durch den Abschluss eines Ventilschließvorganges hervorgerufen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel führt z. B. das Aufsetzen des Ventiltellers des Einlassventils 16 auf den Ventildichtbereich des Motorblockes zu einem entsprechenden (charakteristischen) Störsignal im Zylinderdrucksignal P.
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Durch die Auswertung des Zylinderdrucksignals P kann somit sehr genau der Zeitpunkt (bzw. Kurbelwinkel) detektiert werden, zu welchem das Einlassventil 16 schließt.
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Prinzipiell und abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass weniger als ein Zylinderdrucksensor pro vorhandenem Zylinder 12 eingesetzt wird. Insbesondere da jedes Ventil der Brennkraftmaschine 10 in einer anderen räumlichen Beziehung (z. B. Abstand) von einem Zylinderdrucksensor steht, kann anhand vorbestimmter Auswertungskriterien eine Zuordnung eines bestimmten Störsignals zu einem bestimmten Ventil erfolgen. Besser und vom Auswertungsaufwand her einfacher ist es, wenn wie bei dem Ausführungsbeispiel auch vorgesehen je ein Zylinderdrucksensor 32 pro Zylinder 12 (an einer diesen begrenzenden Wandung, z. B. im Zylinderkopf) angeordnet ist.
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Eine Vereinfachung der Unterscheidung von Störsignalen, die von den verschiedenen Ventilen ein und desselben Zylinders 12 hervorgerufen werden, lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass der betreffende Zylinderdrucksensor 32 nicht ”in der Mitte” zwischen den Ventilen angeordnet ist, sondern z. B. mit deutlich verschiedenen ”akustischen Abständen” zu den einzelnen Ventilen. In diesem Fall werden sich insbesondere die Amplituden der Störsignale unterscheiden, je nach dem, von welchem der Ventile das betreffende akustische Störgeräusch ausging.
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Abweichend von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel könnte die Brennkraftmaschine 10 auch lediglich einen einzigen Zylinder 12 aufweisen. Derartige einzylindrige Brennkraftmaschinen werden z. B. oftmals bei Motorrädern eingesetzt. Auch bei einer einzylindrigen Brennkraftmaschine kann mit Hilfe der Erfindung die Gewinnung eines zur Ermittlung des Schaltzustandes der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung nützlichen Signals realisiert werden.
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Eine Möglichkeit zur Realisierung der Auswertung des Zylinderdrucksignals P wird nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert.
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2 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines an der Brennkraftmaschine 10 mittels des Zylinderdrucksensors 16 gemessenen Zylinderdrucksignals P in Abhängigkeit vom Kurbel(wellen)winkel CRA. In dieser Darstellung entspricht der Wert von CRA = 0° dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung im Zylinder 12. Der Verlauf des Signals P ist hier für den Fall eines geschleppten Betriebes der Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Ein ähnlicher Signalverlauf ergibt sich jedoch auch im Schubbetrieb.
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In 2 deutlich erkennbar ist bei einem Kurbelwinkel CRA von etwa –140° dem tatsächlichen Zylinderdruckverlauf ein Störsignal S1 überlagert, welches im dargestellten Beispiel dem Schließen des Einlassventils 16 zugeordnet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Auswertung des Zylinderdrucksignals P im Hinblick auf solche Störanteile wird das Zylinderdrucksignal P zunächst hochpassgefiltert.
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3 zeigt das Ergebnis einer Hochpassfilterung des Zylinderdrucksignals P von 2. Das hochpassgefilterte Signal PD besteht, wie aus 3 ersichtlich, nahezu lediglich aus den Störsignalen, so dass in einer nachfolgenden Auswertungsstufe die einzelnen Störsignale leichter zu detektieren und den betreffenden Vorgängen im Ventiltrieb zuzuordnen sind.
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Insbesondere nach einer derartigen Hochpassfilterung kann in einfacher Weise eine Auswertung im Hinblick auf diejenigen Störsignale erfolgen, die durch die Einlassventile und/oder Auslassventile bei deren Betätigung hervorgerufen wurden.
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Wie es 3 verdeutlicht, kann somit bereits mit Hilfe eines einfachen Hochpassfilters und der Ermittlung von Störimpulsen (z. B. anhand der Überschreitung einer vorbestimmten Schwelle) ein ”Ventil schließt”-Signal aus dem eigentlichen Zylinderdrucksignal P ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Überprüfung des gefilterten Signals hinsichtlich der Überschreitung einer oder mehrerer vorbestimmter Schwellen könnte z. B. ein Mustervergleich zwischen dem tatsächlich detektierten Signalmuster und vorab gespeicherten und jeweiligen Ventiltriebvorgängen zugeordneten Signalmustern erfolgen. Ein solcher Mustervergleich erfolgt bevorzugt jedoch nur für einen zuvor bereits als solchen identifizierten ”Störsignalverlauf”. Wie bereits erwähnt, kann der Beginn eines solchen Störsignalverlaufes z. B. durch Detektion einer plötzlichen bzw. abnormalen Änderung des Zylinderdrucksignals P festgestellt werden. Der sich im Anschluss daran ergebende Signalverlauf kann zwecks Identifizierung des auslösenden Ereignisses mit vorab gespeicherten Signalmustern verglichen werden, um die Störung einem bestimmten Ventiltriebvorgang zuzuordnen. Eine derartige Vorgehensweise, bei welcher ein Mustervergleich allenfalls für das Störsignal selbst und nicht für einen länger andauernden Signalverlauf durchgeführt wird, liefert besonders rasch ein nutzbares Auswertungsergebnis.
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Dieses Auswertungsergebnis liefert im dargestellten Ausführungsbeispiel also denjenigen Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel CRA, bei welchem das Einlassventil 16 schließt.
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4 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung von 2, wobei jedoch zwei Verläufe P1 und P2 des Zylinderdrucksignals P eingezeichnet sind, welche den beiden verschiedenen Betätigungscharakteristiken der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 entsprechen.
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Wie aus 4 ersichtlich, ergibt sich bei dem Verlauf P1 (für großen Ventilhub, vgl. Hubkurve L16-1 in 5) eine deutlich ausgeprägte Störung S1 bei einem Kurbelwinkel CRA1 von etwa –140°. Aus einem Vergleich mit 5 wird deutlich, dass dieses Störsignal S1 offensichtlich durch das Ende des Schließvorganges des Einlassventils 16 hervorgerufen wird.
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Für den in 4 ebenfalls eingezeichneten Verlauf P2 (für kleinen Ventilhub) liegt eine ähnliche Störung S2 demgegenüber bei einem früheren Kurbelwinkel CRA2 von etwa –230°. Das Störsignal S2 ist weniger stark ausgeprägt. Wie aus einem Vergleich mit 5 ersichtlich, wird dieses Störsignal S2 durch das Ende des Schließvorganges des Einlassventils 16 bei dessen Betätigung entsprechend der Hubkurve L16-2 hervorgerufen.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 4 und 5 erläutert, wie durch die im Steuergerät 24 ablaufende Software aus dieser ”Ventil schließt”-Information auf die aktuelle Einstellung (Schaltzustand) der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 geschlossen wird.
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In an sich bekannter Weise wird im Steuergerät 24 auf Basis der Sensorsignale CRK und CAM der aktuelle Kurbelwellenwinkel CRA ermittelt.
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Durch die bereits beschriebene Auswertung des Zylinderdrucksignals P im Hinblick auf Störsignale können sodann diejenigen Kurbelwinkel (z. B. CRA1) ermittelt werden, bei welchen solche Störsignale (z. B. S1) auftreten. Hierzu wird bevorzugt eine hochpassgefilterte Version des Zylinderdrucksignals P (vgl. 3) herangezogen.
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Anhand dieser Kurbelwinkelinformation, im dargestellten Beispiel also CRA1 oder CRA2, kann die detektierte Störung bereits eindeutig dem aktuell vorliegenden Schaltzustand (z. B. der Hubkurve L16-1 entsprechend) zugeordnet werden. Dies z. B. durch einen Vergleich des ermittelten Kurbelwinkels (CRA1) mit vorab im Motorsteuergerät 24 gespeicherten möglichen solchen Kurbelwinkeln (z. B. CRA1 und CRA2).
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Ergänzend kann von der im Steuergerät 24 ablaufenden Software auch der qualitative Unterschied zwischen den möglichen Störsignalen (S1 und S2) bei einer solchen Auswertung bzw. zur Plausibilisierung des Auswertungsergebnisses herangezogen werden. Im dargestellten Beispiel besitzt das Signal S1 beispielsweise eine wesentlich größere Amplitude als das Signal S2. Auch derartige qualitative Unterschiede kann die Motorsteuerung erkennen und somit den aktuellen Schaltzustand ermitteln bzw. eine erfolgte Umschaltung der Betätigungscharakteristik detektieren.
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In der Motorsteuerung kann die Zuordnung des Ergebnisses der Auswertung des Zylinderdrucksignals P zu einem von mehreren möglichen Schaltzuständen ganz allgemein durch einen geeigneten Softwarealgorithmus bzw. durch Verwendung eines vorab gespeicherten Kennfeldes oder dergleichen vorgenommen werden.
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Bei dem beschriebenen Beispiel ist das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals P zunächst der Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel (CRA1), bei welchem das Einlassventil 16 schließt. Der in dieser speziellen Weise ermittelte Zeitpunkt (und/oder eine andere Eigenschaft des detektierten Störsignals S1) wird als eine Eingangsgröße demjenigen Teil der im Steuergerät 24 ablaufenden Motorsteuersoftware zugeführt, welcher als Ausgangsgröße eine Größe in der Software liefert, welche repräsentativ für den Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 ist. Diese Ausgangsgröße wird also in der Software von der Eingangsgröße abhängig berechnet.
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Der somit ermittelte Schaltzustand der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 wird sodann als Eingangsgröße demjenigen Teil der Motorsteuersoftware zugeführt, welcher (gegebenenfalls unter Mitberücksichtigung weiterer Motorbetriebsparameter) die Vorgabe der Einspritzzeitpunkte und der einzuspritzenden Kraftstoffmengen bewerkstelligt. Diese Einspritzzeitpunkte und der Kraftstoffmengen hängen davon ab, welche Betätigungscharakteristik (”größer Ventilhub” oder ”kleiner Ventilhub”) aktuell verwendet wird. Somit kann mithilfe der erfindungsgemäßen Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf die für Ventilbetätigungsvorgänge charakteristischen Störsignale insbesondere eine Einspritzmengenvorgabe aufgebaut werden, bei welcher ein eigens zur Detektion der aktuellen Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 vorgesehener Lagesensor entfallen bzw. (z. B. alterungsbedingte) Abweichungen des Lagesensorsignals vorteilhaft adaptiert werden können.
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Zusammenfassend wird bei der Brennkraftmaschine 10 die Anfälligkeit des Zylinderdrucksensors 32 auf Störgeräusche ausgenutzt, um daraus zunächst eine Information über die aktuelle Stellung wenigstens eines Ventils abzuleiten und (durch eine gegebenenfalls weitere Auswertung im Bereich des Steuergerätes 24) eine nutzbringende Information (z. B. CRA1) für die Ermittlung der Einstellung der Ventiltrieb-Verstelleinrichtung 21 zu liefern.
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Mit der Verwendung von Zeitpunkten wie ”Ventil schließt”, die aus dem Zylinderdrucksignal P ermittelt werden, liegt dem Steuergerät 24 stets eine echte physikalische Rückmeldung über die Position des Ventils vor. Diese Information kann daher vorteilhaft bei der Ermittlung des Zustandes des entsprechenden Verstellsystems genutzt werden.
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Weiterhin kann diese Information z. B. verwendet werden, um Fehler bzw. Abweichungen bei Nockenwellenlagesensoren (der variablen Ventilsteuerung) zu detektieren bzw. zu adaptieren.
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Es ist sogar ein Betrieb des Motors ohne Nockenwellensensor möglich (indem stattdessen das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals P herangezogen wird). Ferner ist z. B. ein Notlauf des Motors bei einem Defekt des Kurbelwellensensors und/oder des Nockenwellensensors möglich.
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Wenn beim Zusammenbau des Motors 10 die drehwinkelmäßige Zuordnung zwischen Nockenwelle 20 und Kurbelwelle 22 in Grundposition nicht korrekt durchgeführt wird, z. B. bei einem Auswechseln eines Nockenwellenzahnriemens in einer Kfz-Werkstatt, so hat die Motorsteuerung 24 eine falsche Information über die Position der Nockenwelle 22. Dies hätte normalerweise zur Folge, dass die Parameter für die Verbrennung nicht richtig vom Motorsteuergerät 24 eingestellt werden können, was zu erhöhten Emissionen, schlechtem Motorlauf, und im Extremfall sogar zu Motorschäden führen kann. Eine ähnliche Problematik ergibt sich bei Abweichungen durch Fertigungstoleranzen, Alterung usw. Derartige Zusammenbaufehler und auch erst später im Betrieb auftretende Abweichungen von der Sollposition bzw. -konfiguration können mit Hilfe der Auswertung des Zylinderdrucksignals P jedoch ebenfalls vorteilhaft erfasst und berücksichtigt werden.