DE19511320C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ventilsteuerung in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum variablen Steuern von Einlaß- und Auslaß­ ventilen eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft sie ein Steuerverfahren und eine Vorrichtung für eine nockenlose Motorventilanordnung zum variablen Steuern des Hubprogramms der Motorventile.

Herkömmliche Automobilverbrennungsmotoren arbeiten mit einer oder mit mehreren Nockenwellen zum Steuern der Motorventile, d. h., der Einlaß- und Auslaßventile, nach einem vorgegebenem Hubprogramm. Mit der mechanischen Struktur ist das Hubpro­ gramm festgelegt. Ein festgelegtes Hubprogramm läßt jedoch kein optimales Motorverhalten zu, da im allgemeinen unter­ schiedliche Motorbetriebszustände unterschiedliche optimale Hubprogramme erfordern.

Daß eine Verbesserung des Motorverhaltens durch Variieren des Zeitpunktes und des Hubs sowie der Beschleunigungsgeschwin­ digkeit und der Wege zeit der Einlaß- und Auslaßventile in ei­ nem Verbrennungsmotor erzielt werden kann, ist allgemein be­ kannt. Trotzdem ist die Technologie für die Bereitstellung einer einfachen, relativ preiswerten und hoch zuverlässigen Anordnung nicht vorangekommen. Ein zunehmender Einsatz und zunehmendes Vertrauen in Mikroprozessor-Steuerungssysteme für Automobile und ein zunehmender Einsatz hydraulischer anstelle mechanischer Anordnungen ermöglicht einen deutlichen Fort­ schritt in der Konstruktion von Motorventilsteuerungen.

Es gibt verschiedene Gründe, warum ein allgemein festgelegtes Hubprogramm nicht optimal ist. Die Steuerung des Gasaus­ tausches in einem herkömmlichen Motor mit nockenbetätigten Ventilen ist nur begrenzt möglich und kann nicht für alle Motorbetriebszustände optimiert werden. Die Steuerung des Gasaustausches in einem nockenlosen Motor unterscheidet sich hiervon grundsätzlich. In einem Motor mit einem herkömmlichen mechanischen Ventilantrieb, mit seiner festen Ventilzeit­ steuerung, wird der Ansaugluftstrom durch Luftdrosselung ge­ steuert, was zu Drosselverlusten führt. Ferner kann der in dem Zylinder verbleibende Restgasanteil nicht durch einen mechanischen Ventilantrieb gesteuert werden, wodurch die Zu­ setzung eines zu der Ansaugluft zurückgeführten Abgases durch ein externes Abgasrückführungssystem (EGR-System) erfor­ derlich wird, um die Stickoxidemissionen zu reduzieren.

Die letztere Einschränkung betrifft auch Motoren, welche zwi­ schen den Nockenwellen und Motorventilen Leergang-Motor­ ventilanordnungen (lost motion valve systems) aufweisen, da diese noch durch die Inflexibilität einer Nockenwelle eingeschränkt sind. Leergang-Steueranordnungen können den Hubbetrag steuern, sind jedoch bei der Steuerung des Zeit­ punktes beim Öffnen und Schließen des Ventils sehr einge­ schränkt, womit deren Fähigkeit zur Steuerung des Rest­ gasanteils in einem Zylinder beschränkt ist. Ferner weist eine nockenlose elektrohydraulische Anordnung den Vorteil auf, das dadurch sowohl die Kosten als auch das Gewicht von Nockenwellen entfallen, während eine gesteigerte Flexibilität im Zeitpunkt und in der Öffnungsdauer jedes Motorventils gegeben ist. Im allgemein wird die Variation des Zeitpunktes des Ventilöffnens und -schließens gegenüber einer ausschließlichen Steuerung des Ventilhubes bevorzugt, um die in einen Zylinder eingesaugte Luftmenge zu bestimmen.

In einem Motor mit einem elektrohydraulischen nockenlosen Ventilantrieb sind die Motorventilvorgänge flexibel. Die Men­ gen der Ansaugluft und des Restgases in jedem Zylinder können durch Variieren des Zeitpunktes des Öffnens und/oder Schließens der Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden, was die Notwendigkeit einer Luftdrosselung der Ansaugluft und eines externen EGR-Systems erübrigt. Während ein elektro­ hydraulischer nockenloser Ventilantrieb mehr Flexibilität bietet, können andererseits Nachteile bestehen, welche bei Anordnungen mit mechanischen Nockenwellen nicht auftreten.

Bei aller mit einem mechanischen Ventilantrieb verbundenen Inflexibilität und Ineffektivität weist dieser jedoch einen Hauptvorteil dahingehend auf, daß die Genauigkeit, mit wel­ cher eine Nockenwelle geschliffen werden kann, so ist, daß eine gute Luftverteilung von Zylinder zu Zylinder inhärent sichergestellt ist. Im Falle eines Motors mit einem nocken­ losen Ventilantrieb ist eine gleichmäßige Verteilung der Luft und des Restgases über die Zylinder nicht inhärent gegeben. Während eine Leergang-Anordnung keine so große inhärente Streuung wie eine nockenlose Anordnung aufweisen muß, weist sie dennoch aufgrund des Umstandes, daß sie auch von einer mechanischen Nockenwelle angetrieben wird, noch andere Nachteile auf, wie vorstehend ausgeführt.

In einer nockenlosen Ventilantriebsanordnung können anstelle einer Luftdrossel und einer externen Abgasrückführungsan­ ordnung Änderungen im Zeitablauf der Steuerventile dazu ver­ wendet werden, die Menge der Ansaugluft und die Menge des in der Verbrennungskammer zurückgehaltenen Restgases zu steuern. Die Motorventile können durch Steuerventile, wie z. B. Magnet­ ventile elektrisch gesteuert werden, welche auf elektrische Signale eines Bordcomputers reagieren. Um sicherzustellen, daß die Aktionen der Einlaß- und Auslaßventile in allen Zy­ lindern im wesentlichen gleich sind, wird ein im wesentlichen gleiches Verhalten der jeweiligen Steuerventile bei allen Zy­ lindern angestrebt.

Der Zeitpunkt und die Dauer der Spannungssignale, welche die Steuerventile aktivieren, können zwar mit großer Genauigkeit und Gleichmäßigkeit gesteuert werden, jedoch überträgt sich die­ ses nicht auf die Gleichmäßigkeit des Steuerventilverhaltens. Individuelle Ventile neigen aufgrund unvermeidbarer kleinerer Unterschiede in ihrer physikalischen Gestalt dazu, unter­ schiedlich auf identische Spannungssignale zu reagieren.

Zusätzlich kann die Empfindlichkeit gegenüber sich verändernden Umgebungs­ bedingungen, allmählicher Verschlechterung des Verhaltens der einzelnen Komponenten und der Qualität des Betriebsfluids weiter zu einer Abweichung von dem erforderlichen Verhalten beitragen.

Das Einengen von Fertigungstoleranzen und die Justierungen nach der Herstellung können die Streuungen von Steuerventil zu Steuerventil reduzieren, aber nicht vollständig besei­ tigen. Ferner wird dadurch nicht das Problem einer möglichen Veränderung des Steuerventilverhaltens und der Betriebs­ fluidqualität über die Zeit gelöst.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum nockenlosen Steuern von Motorventilen in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, das bzw. die fertigungsbedingte Abwei­ chungen der Motorventile untereinander sowie während des Be­ triebs eintretende Veränderungen von Steuerungs-Einflußgrößen bei der Optimierung des Motorverhaltens berücksichtigt.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum individuellen Steuern des Öffnens und Schließens der Motor­ ventile in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einem nockenlosen Ventilantrieb mit variablen Motorventilvorgängen. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Erfassen der Kurbelwel­ lendrehwinkelstellung und des Drehzahl und Motordrehmo­ mentbedarfs und Erzeugen eines entsprechenden Stellungs- und Drehzahlsignals und eines entsprechenden Drehmomentbe­ darfssignals; Einlesen des Stellungs- und Drehzahlsignals in einen Bordrechner; Ermitteln einer Sollmenge für die Ansaugluft und für das Restgas für jeden Zylinder; weiterhin für jeden Zylinder: Ermitteln eines entsprechenden Nomi­ nalwertes für den Zeitpunkt und die Dauer eines entsprechen­ den Aktivierungssignals, das an jedes von mehreren Hochdruck- und Niederdruckmagnetventilen zu senden ist; Einlesen von Korrekturwerten für den Zeitpunkt des Aktivierungssignals für jedes Niederdruckmagnetventil aus einem Korrekturspeicher in dem Bordrechner; Addieren der Korrekturwerte zu den Nominal­ werten des Zeitpunktes für jedes Niederdruckmagnetventil, um korrigierte Werte in korrigierten Aktivierungssignalen zu er­ zeugen; Aktivieren jedes Hochdruckmagnetventils mit den Nomi­ nalaktivierungssignalen und jedes Niederdruckmagnetventils mit den korrigierten Aktivierungssignalen; Überwachen der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und der in jedem Zylinder enthaltenen Restgasmenge; Vergleichen der tatsächlichen Men­ gen der Ansaugluft und des Restgases für jeden Zylinder mit der entsprechenden Sollmenge der Ansaugluft und des Rest­ gases; Ermitteln eines Korrekturinkrements für jeden Zylin­ der; und Modifizieren der Korrekturwerte in dem Korrektur­ speicher des Bordrechners mit einem Korrekturinkrement.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine hydraulisch betriebene nockenlose Ventilsteuervorrichtung für mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßventil in einem Zylinder innerhalb eines Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung weist eine Hoch­ druckfluidquelle, eine Niederdruckfluidquelle und ein Zylin­ derkopfelement auf, das zur Befestigung an dem Motor ausgebildet ist und mindestens eine darin enthaltene Einlaß­ ventilbohrung und -Kammer und mindestens eine Auslaßven­ tilbohrung und -Kammer aufweist, wobei das Einlaß- und das Auslaßventil jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Position innerhalb der jeweiligen Zylinderkopfbohrungen und -Kammern verschiebbar sind. Das Einlaß- und Auslaßventil weisen jeweils einen damit verbundenen und verschiebbar innerhalb seiner jeweiligen Kammer untergebrachten Ventil­ kolben auf, welcher dadurch eine erste und eine zweite Hohlkammer bildet, die sich mit der Auslenkung verändert, wenn sich das jeweilige Einlaß- oder Auslaßventil bewegt. Das Zylinderkopfelement weist zwischen der ersten und zweiten Hohlkammer und der Hochdruckfluidquelle sich erstreckende Hochdruckkanäle, und zwischen den ersten Hohlkammern und der Niederdruckfluidquelle sich erstreckende Niederdruckkanäle auf. Das Einlaß- und Auslaßventil weisen jeweils ein Hoch­ druckventil und ein jeweils zugeordnetes Niederdruckventil auf, um den Fluidstrom in ihren jeweils ersten Hohlkammern zu regeln. Eine Steuereinrichtung arbeitet mit den Hockdruck- und Niederdruckventilen zusammen, um selektiv die ersten Hohlräume mit der Hochdruckquelle und der Niederdruckquelle zu verbinden, um die Einlaß- und Auslaßventile in zeit­ bezogener Relation zum Motorzustand hin und her zu bewegen. Eine erste Korrektureinrichtung arbeitet mit der Steuer­ einrichtung zusammen, um den Zeitpunkt der Verbindung des dem Einlaßventil zugeordneten ersten Hohlraums mit der Nieder­ druckquelle zu korrigieren, und eine zweite Korrek­ tureinrichtung arbeitet mit der Steuereinrichtung zusammen, um den Zeitpunkt der Verbindung des dem Auslaßventil zugeord­ neten ersten Hohlraums mit der Niederdruckquelle zu korrigie­ ren.

Durch die Erfindung kann ein nockenloser Ventilantrieb sowohl eine geeignete Ansaugluft- als auch Restgasverteilung über die Zylinder in Verbindung mit dem Wegfall der Abgasrückfüh­ rung erreichen. Es wird ein vollständiges Motoroptimierungs­ paket bereitgestellt, das die Optimierung dauerhaft während des Betriebs erhalten sowie jede tendenziell in dieser Art von Anordnung inhärente Änderung korrigieren kann. Ein im we­ sentlichen gleichmäßiges Verhalten aller Steuerventile wird mit einem Satz von Steuersignalen erzielt, der jeweils indi­ viduell auf die Anforderungen des gesteuerten spezifischen Steuerventils zugeschnitten ist. So wird eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Ansaugluft und des Restgases von Zylinder zu Zylinder aufgrund dieser inhärenten Variabilität von Steuerventil zu Steuerventil erhalten. Diese inhärente Variabilität wird durch eine nockenlose Ventilantriebsanord­ nung erfaßt, welche eine adaptive Steuerungsanordnung auf­ weist, die kontinuierlich die Ergebnisse von deren Verhalten unter verschiedenen Motorbetriebszuständen überwacht, und welche die Anordnung unter Berücksichtigung der Anordnungsto­ leranzen anpaßt, um so eine richtige und gleichmäßige Verteilung der Ansaugluft und der Restgase über alle Zylinder zu allen Zeiten sicherzustellen.

Somit wird eine Steuerung geschaffen, welche die ver­ schiedenen Motorbetriebszustände durch Änderung des Ventil­ vorgangs jedes Motorventils auf der Basis von in einem Rech­ nerspeicher abgelegten Werten der erforderlichen Ansaugluft- und Restgasmengen berücksichtigt, und welche eine Rückkopp­ lungsschleife aufweist, welche die tatsächliche Luft- und Restgasmenge unabhängig für jeden Motorzylinder überwacht, um Werte in einem Korrekturspeicher zu erzeugen, welche die Ab­ weichung von den erforderlichen Parametern in jedem Zylinder für die verschiedenen Motorbetriebszustände korrigieren, was zu einer Motoroptimierung bezüglich Kraftstoffausnutzung, Emissionen und Drehmoment, sowie bester Leerlaufqualität führt.

Mit der Erfindung wird ein nockenloser Motor mit einem elektrohydraulisch gesteuerten Ventilantrieb geschaffen, welcher das Motorver­ halten unter verschiedenen Motorbetriebszuständen optimiert und gleichzeitig die Notwendigkeit einer Luftdrosselung und externen Abgasrückführung beseitigt, und welcher im wesent­ lichen ein identisches Verhalten der Einlaß- und Auslaß­ ventile gewährleistet, um gleiche Ansaugluft- und Restgas­ mengen zwischen den Zylindern sicherzustellen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, einen nockenlosen Ventilantrieb zu betreiben, welcher den Ko­ sten- und Gewichtsvorteil aufweist, der aus dem vollständigen Wegfall einer Nockenwelle sowie der Luftdrosselung und der externen Abgasrückführung EGR herrührt. Gleichzeitig wird das Motorverhalten bei verschiedenen Motorbetriebszuständen durch Bereitstellen einer adaptiven Steuerungsvorrichtung, welche die Streuungen zwischen den Ventilen in der Vorrichtung berücksichtigt, verbessert.

Ein weiterer Vorteil dieser adaptiven Steuerung besteht darin, daß sie die Einlaß- und Auslaßventile unter Verwendung nominaler Aktivierungswerte für den Zeitpunkt und die Einschaltdauer der Hochdruckmagnetventile und der Nieder­ druckmagnetventile geeignet aktivieren kann, wobei lediglich korrigierte Aktivierungswerte für den Zeitpunkt der dem Ein­ laßventil zugeordneten Niederdruckventilaktivierung benötigt werden, um die geeignete Verteilung der Ansaugluft über den Zylindern sicherzustellen, und lediglich korrigierte Akti­ vierungswerte für den Zeitpunkt der dem Auslaßventil zuge­ ordneten Niederdruckventilaktivierung benötigt werden, um die geeignete Verteilung der Restgase über den Zylindern sicher­ zustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, welche ein einzelnes hydraulisch gesteuertes Motorventil und eine Hydrau­ likanordnung zum Zuführen des Fluids zu der Ven­ tilsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2A-2D optimale Hub- und Zeitdiagramme der Motorventile für verschiedene Motorbetriebszustände gemäß der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 3A und 3B graphische Darstellungen eines Magnetven­ tilhubs und eines entsprechenden Motorventilhubs bezogen auf einen Kurbelwellenwinkel gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm der zum Steuern des Zeitpunktes der das Öffnen und Schließen der Motorventile steuernden Magnetventile erforderlichen Schritte gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nockenlose Motorventilantriebe erhöhen die Flexibilität sowohl in Bezug auf den Ventilzeitpunkt als auch auf den Ven­ tilhub, auch im Vergleich zu elektrohydraulischen Leergang-Anordnungen (lost motion type), die im Vergleich zu herkömmlichen Nockenwellen aufweisenden Ventilantrieben eine etwas größere Flexibilität zulassen. Ein elektrohydraulischer nockenloser Ventilantrieb ist im Detail in der US-PS 52 55 641 dargestellt.

Fig. 1 stellt eine einzelne Motorventilanordnung 8 eines elektrohydraulisch gesteuerten Ventilantriebes dar. Ein Mo­ torventil 10, je nach Fall für Ansaugluft oder Abgas, ist in­ nerhalb eines Zylinderkopfes 12 angeordnet. Ein an der Spitze des Motorventils 10 befestigter Ventilkolben 26 ist innerhalb der Grenzen einer Kolbenkammer 30 verschiebbar.

Ein Fluid wird selektiv einem Volumen 25 oberhalb des Kolbens 26 aus einer Hochdruckölquelle 40 und einer Nieder­ druckölquelle 42 zugeführt, die hydraulisch über eine Hochdruckleitung 44 bzw. eine Niederdruckleitung 46 an einem Hochdruckanschluß 48 bzw. einem Niederdruckanschluß 50 angeschlossen sind.

Das Volumen 25 kann mit der Hochdruckölquelle 40 entweder über ein Magnetventil 64 oder ein Rückschlagventil 66, oder mit der Niederdruckölquelle 42 entweder über ein Magnetventil 68 oder ein Rückschlagventil 70 verbunden sein. Ein Volumen 27 unterhalb des Kolbens 26 ist stets mit der Hochdruckölquelle 40 verbunden. Ein Fluid-Rückführungsauslaß 72 stellt eine Einrichtung zur Rückführung von aus der Kolbenkammer 30 leckenden Fluids in einen (nicht dargestellten) Sumpf bereit. Das Hochdruckmagnetventil 64 und das Niederdruckmagnetventil 68 werden von Signalen aus einem Bordrechner 74 aktiviert und deaktiviert. Der Bordrechner 74 ist elektrisch mit einem Drehmomentbedarfssensor 54 und einem Motordrehzahl- und Kurbelwellenstellungssensor 56 verbunden. Er ist ebenfalls elektrisch mit Rückkopplungssensoren 58 zum Ermitteln der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des Restgases in jedem Motorzylinder verbunden.

Während des Öffnens des Motorventils öffnet das Hochdruckmag­ netventil 64, und die auf den Kolben 26 wirkende Netto­ druckkraft beschleunigt das Motorventil 10 nach unten. Wenn das Hochdruckmagnetventil 64 schließt, fällt der Druck über dem Kolben 26 ab und der Kolben 26 bremst ab, während er das Fluid aus dem Volumen 27 hinter sich in die Hochdruckölquelle 40 zurückdrückt. Das durch das Niederdruckmagnetventil 70 strömende Niederdruckfluid verhindert eine Hohlraumbildung im Volumen 25 während des Abbremsvorgangs. Wenn die Abwärtsbewegung des Motorventils 10 endet, schließt das Niederdruckrückschlagventil 70, und das Motorventil 10 bleibt in seiner offenen Stellung blockiert.

Der Vorgang des Ventilschließens ist im Prinzip dem des Ven­ tilöffnens ähnlich. Das Niederdruckmagnetventil 68 öffnet, der Druck über dem Kolben 26 fällt ab, und die auf den Kolben 26 wirkende Nettodruckkraft beschleunigt das Motorventil 10 nach oben. Wenn das Niederdruckmagnetventil 68 schließt, steigt der Druck über dem Kolben 26 an, und der Kolben 26 bremst ab, während er das Fluid aus dem Volumen 25 durch das Hochdruckrückschlagventil 66 in die Hochdruckölquelle 40 zu­ rückdrückt.

Die Fig. 3A und 3B stellen ferner die Beziehung zwischen ei­ ner Magnetventilaktivierung und einem Motorventilhub dar. Fig. 3A stellt ein Diagramm des Motorventilhubes 80 über dem Motorkurbelwellenwinkel dar und Fig. 3B stellt das ent­ sprechende Diagramm, 82 bzw. 84, der Hoch- und Niederdruck­ magnetventile über dem Motorkurbelwellenwinkel dar. Das Mo­ torventilöffnen 86 wird von dem Hochdruckmagnetventil 64 (Fig. 1) gesteuert. Wenn das Hochdruckmagnetventil öffnet 92, bewirkt dieses den Beginn des Öffnens 86 des Motorventils. Wenn das Hochdruckmagnetventil schließt 94, bewirkt dieses das Abbremsen des Motorventils. Das Motorventil 10 bleibt dann in einer offenen Stellung 88. Das Öffnen 96 und das Schließen 98 des Niederdruckmagnetventils 68 steuert das Schließen 90 des Motorventils ähnlich wie das Öffnen des Motorventils.

Wie aus den Fig. 3A und 3B zu ersehen ist, wird der Zeitver­ lauf 90 des Motorventilschließens von dem Zeitverlauf 84 des Niederdruckmagnetventils bestimmt, welcher einem Magnetven­ til-Spannungsimpuls aus einem Bordrechner 74 (Fig. 1) ent­ spricht, der das Niederdruckmagnetventil 68 aktiviert. Eine Variation des Aktivierungszeitpunktes des Hochdruck­ magnetventils 64 und des Niederdruckmagnetventils 68 variiert dann den Zeitpunkt des Öffnens bzw. - des Schließens des Mo­ torventils. Der Betrag des Motorventilhubes wird durch die Variation der Dauer des Magnetventil-Spannungsimpulses an das Hochdruckmagnetventil 64 und das Niederdruckmagnetventil 68 gesteuert.

Mit der Fähigkeit, den Betrag und den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Motorventils zu steuern, kann der Motor­ betrieb für verschiedene Motorbetriebszustände optimiert wer­ den. Fig. 2A bis 2D stellen vier Kreisdiagramme dar, welche die optimale Dauer und den optimalen Zeitpunkt der Einlaß- und Auslaßventilvorgänge für verschiedene Motorbe­ triebszustände darstellen. Die Flexibilität eines nockenlosen Ventilantriebes ermöglicht die Steuerung des Zeitpunktes und des Betrags des Ventilhubes, um die einzelnen optimalen Hubprogramme zu erzielen. Ein mechanisch mit Nockenventilen betriebener Ventilantrieb, mit oder ohne Leergang-Anordnung (lost motion system) könnte nicht all diese unterschiedlichen Hubprogramme durchführen.

Gemäß Darstellung in Fig. 2A ist es während eines Leerlauf­ zustandes des Motors erwünscht, eine kleine Überlappung zwi­ schen den Offen-Zuständen des Einlaß- und Auslaßventils in­ nerhalb eines vorgegebenen Zylinders zu haben, um den Restgasanteil zu minimieren. Das Öffnen 100 des Einlaßventils beginnt kurz vor dem oberen Kolbentotpunkt (TDC) 102 und das Schließen 104 endet kurz nach dem oberen Kolbentotpunkt (TDC). Dieser Lufteinlaßvorgang 106 ist kurz, um auf diese Weise nur ein kleines Luftvolumen in den Zylinder gelangen zu lassen und somit die Notwendigkeit einer Luftdrosselung zu vermeiden. Der Auslaßvorgang 108 beginnt mit dem Öffnen 110 des Auslasses kurz vor dem unteren Totpunkt (BDC) 112 und schließt bei 114 kurz nach dem oberen Totpunkt (TDC) 102.

Fig. 2B stellt den gewünschten Motorventilzeitpunkt für ein optimales Motorverhalten in einem Zustand leichter Belastung dar. Die Zeitpunkte des Einlaßöffnens 100 und des Auslaß­ öffnens 110 sind dieselben wie im Motorleerlaufzustand. Das Auslaßventilschließen 144′ ist jedoch verzögert, um die Ven­ tilüberlappung zu erhöhen und somit die Restgasmenge zu erhö­ hen, was die Steuerung der Stickoxidemissionen unterstützt und somit die Notwendigkeit einer externen Abgasrückführung EGR erübrigt. Der Zeitpunkt des Einlaßventilschließens 104′ ist ebenfalls so eingestellt, daß eine etwas größere Menge Ansaugluft in den Zylinder als im Leerlaufzustand gelangt. Da dieser Zustand nicht die maximale Ansaugluft benötigt, erüb­ rigt die nockenlose Ventilantriebssteuerung das Erfordernis einer Luftdrosselung auch in diesem Betriebszustand. Hier stellen die bei den Zahlen verwendeten Strichsymbole einen unterschiedlichen Zeitpunkt des jeweils diskutierten Vorgangs im Vergleich zum Motorleerlaufzustand dar.

Gemäß Darstellung in Fig. 2C ist es während eines Motor­ zustandes mit hoher Belastung und niedriger Drehzahl er­ wünscht, eine weiter verringerte Ventilöffnungsüberlappung zu haben, indem das Schließen 114′′ des Auslaßventils unmittel­ bar nach dem oberen Kolbentotpunkt (TDC) 102 erfolgt. Es ist ferner erwünscht, das Schließen 104′′ des Einlaßventils nach dem unteren Kolbentotpunkt BCD 112 zu haben, um die in den Zylinder eingelassene Ansaugluft zu maximieren. Bei einem Mo­ torzustand mit starker Belastung und hoher Drehzahl befindet sich gemäß Darstellung in Fig. 2D der Zeitpunkt des Einlaß­ ventilschließens 104′′′ deutlich nach dem unteren Totpunkt BCD 112 und das Öffnen 110′′′ des Auslaßventils deutlich vor dem unteren Totpunkt BCD 112, um den Vorteil eines Ladeffek­ tes durch den Ansaugluftstaudruck zu nutzen.

Aus den Diagrammen in den Fig. 2A bis 2D wird deutlich, daß die Mengen der Ansaugluft und des Restgases in dem Zylin­ der durch Variation der entsprechenden Zeitpunkte des Schließens 104 bzw. 114 der Einlaß- und Auslaßventile gesteu­ ert werden kann, um das Motorverhalten für verschiedene Zu­ stände zu optimieren. Diese Zeitpunkte können durch Variieren der Zeitpunkte der entsprechen Magnetventil-Spannungssignale gemäß Darstellung in den Fig. 3A und 3B erreicht werden. Somit sind nur die Zeitpunkte des Einlaß- und Auslaßventil­ schließens für die Mengenbestimmung der Ansaugluft und des Restgases in einem bestimmten Zylinder entscheidend.

Der Ablauf der adaptiven Steuerung der nockenlosen Ventil­ anordnung zum Steuern des Motorventilbetriebs und zur Sicher­ stellung der Gleichmäßigkeit und Richtigkeit der Ansaugluft- und Restgasverteilung über die Zylinder kann detaillierter anhand eines Beispiels der Luftstrom- und Restgassteuerung für nur einen Motorzylinder erläutert werden und ist in Fig. 4 dargestellt, wobei Bezug auf Fig. 1 genommen wird. Ein erstes Grundsteuersignal ist ein Drehmomentbedarfssignal, welches von einem Drehmomentbedarfssensor 54 geliefert wird, der typischerweise eine Gaspedalstellung überwacht. Ein zweites Steuersignal ist eines, welches der Motordrehzahl und der Kurbelwellenstellung entspricht, und von dem Motordrehzahl- und Kurbelwellenstellungssensor 56 geliefert wird, der typischerweise die Änderungsrate des Kurbelwellenwinkels mißt. Der Bordrechner 74 liest das Drehmomentbedarfssignal bei 130 und das Motordrehzahl- und Kurbelwellenstellungssignal bei 132 ein.

Der Speicher in dem Bordrechner 74 enthält Information für das optimale Motorverhalten auf der Basis der Steuersignale. Auf der Basis dieser Signale und unter Verwendung der in dem Speicher des Bordrechners 74 gespeicherten Information, ermittelt der Bordrechner 74 bei 134 die Sollmenge der Ansaugluft und des Restgases in jedem Zylinder für ein optimales Motorverhalten. Der Bordrechner 74 enthält auch eine Speichertabelle, in welcher für jeden Drehmomentwert und jede Motordrehzahl der Sollzeitpunkt, der Sollhub und die Solldauer des Einlaß- und Auslaßventilschließens spezifiziert sind. Diese Werte werden bei 136 in den nominalen Zeitpunkt und die nominale Dauer der elektrischen Impulssignale umgewandelt, die an die Hochdruckmagnetventile und Nieder­ druckmagnetventile 64 bzw. 68 gesendet werden, um diese zu aktivieren. Die für diese Umwandlung benötigte Information ist in einem Algorithmus enthalten, der in einer anderen Speichertabelle im Bordrechner 74 gespeichert ist.

Der Speicher, welcher die Information für das Timing des Niederdruckmagnetventils enthält, besteht aus zwei Teilen:
Der erste ist, wie vorstehend beschrieben, ein Basis-Perma­ nentspeicher, welcher die nominalen Impulszeitpunktdaten ent­ hält, die jeweils einen empirisch ermittelten statistischen Mittelwert der Sollimpulszeit für den spezifischen Motor dar­ stellen. Ein zweiter Teil ist ein Korrekturspeicher, welcher zu den Werten des Grund-Permanentspeichers zu addierende oder subtrahierende Impulszeitpunktinkremente enthält. Der Bord­ rechner 74 liest die Korrekturwerte für den Impulszeitpunkt des Niederdruckmagnetventils bei 138 ein. Die Anfangswerte in dem Korrekturspeicher bei einem neuem Motor sind gleich Null. Dieses gibt dem Motor die Möglichkeit, sich selbst von einem Ausgangspunkt ausgehend während des Betriebs zu kalibrieren und abzustimmen. Die Werte in dem Korrekturspeicher werden bei 140 auf die Nominalwerte addiert.

Die Zahlen in dem Korrekturspeicher können während des Motor­ betriebs nach Bedarf geändert werden, um einen gleichmäßigen Ansaugluftstrom und Restgasgehalt über die Zylinder verteilt sicherzustellen. Es gibt in dem Bordrechner 74 noch einen ge­ trennten Korrekturspeicher für jeden Motorzylinder, um Tole­ ranzen zwischen den Ventilen, welche eine ungleichmäßige Ver­ teilung der Ansaugluft und des Restgases zwischen den Zylin­ dern bewirken, individuell zu korrigieren.

Die Anordnung liest bei 136 das Grund-Zeitpunktsignal aus dem Speicher aus, addiert dazu bei 140 das bei 138 aus dem Kor­ rekturspeicher für den spezifischen Zylinder ausgelesene Kor­ rektursignal und ermittelt somit den Zeitpunkt der Aktivie­ rung des Niederdruckmagnetventils 68 für dieses Ventil, je nach Fall das Einlaß- oder Auslaßventil, bei diesen Be­ triebszuständen, um den Motorbetrieb zu optimieren. Die Werte der Impulsdauer für das Niederdruckmagnetventil und die Im­ pulsdauer und der Zeitpunkt für das Hochdruckmagnetventil bleiben auf einem Nominalwert, da sie für die Bestimmung der Ansaugluft- und Restgasmengen nicht benötigt werden. Die no­ minalen und korrigierten Signale werden von dem Bordrechner 74 bei 142 an die Hochdruck- und Niederdruckmagnetventile 64 und 68 gesendet, um sie zu aktivieren, was wiederum je nach Fall das Einlaß- oder Auslaßventil 10 aktiviert. Die Anord­ nung enthält auch einen Satz von Sensoren, welche Infor­ mationen liefern, die es der Motorsteuereinrichtung ermög­ lichen, die tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des Rest­ gases in jedem Zylinder während jedes Zyklusses bei 144 ein­ zulesen und zu ermitteln.

Die Berechnung der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und der Restgase in jedem Zylinder kann auf vielfältige Art ausgeführt werden. Beispielsweise können die Ansaugluftmengen durch in den einzelnen Einlaßkanälen eingebaute Luftmassen­ stromsensoren gemessen werden. Ein weiteres Verfahren könnte die Berechnung der Luftmengen aus den Werten der Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisse beinhalten, die unter Verwendung von in den einzelnen Abgaskanälen eingebauten Sauerstoffsensoren ge­ messen werden. Alternativ könnte ein einzelner Luftmassen­ stromsensor in dem Ansaugluftstrom und/oder ein einzelner Sauerstoffsensor in dem Abgasstrom auf einer zeitauflösenden Basis zum Berechnen der einzelnen Ansaugluftwerte in jedem Zylinder verwendet werden. Mit bekannter Luftmenge kann der Restgasanteil durch Messen des Drucks und der Temperatur bei einer spezifischen Kolbenbezugsstellung, wie z. B. am unteren Kolbentotpunkt, ermittelt werden.

Der Bordrechner 74 vergleicht bei 146 die tatsächlichen Men­ gen der in jeden Zylinder eingesaugten Ansaugluft und des Restgases mit den Sollwerten, um den Betrag des Fehlers der Anordnung zu ermitteln, und um bei 148 getrennte Korrektur­ inkremente für den Impulszeitpunkt des Niederdruckmagnet­ ventils in jedem Zylinder zu ermitteln. Eine Abweichung in der Menge der Ansaugluft in dem speziellen Zylinder erfordert eine Korrektur des Zeitpunktes des dem Einlaßventil in diesem Zylinder zugeordneten Niederdruckmagnetventils, während eine Abweichung in dem Restgas dieses Zylinders eine Korrektur des Zeitpunktes des dem Auslaßventil in diesem Zylinder zuge­ ordneten Niederdruckmagnetventils erfordert. Immer dann, wenn eine Diskrepanz auftritt, wird bei 150 der Korrekturspeicher in dem Bordrechner 74 für diesen Zylinder bei der gegebenen Drehmoment/Drehzahl-Kombination modifiziert, bis nach einigen Zyklen die tatsächlichen Mengen bei diesem Drehmoment und dieser Drehzahl im wesentlichen mit den Sollwerten über­ einstimmen. Die Größe des Korrekturinkrements ist direkt pro­ portional zu der Abweichung der Anordnung und umgekehrt pro­ portional zu der Motordrehzahl. Demzufolge wird der Zeitpunkt des Magnetventils verzögert und die Menge vergrößert, wenn die Abweichung der Anordnung positiv ist. Umgekehrt wird der Zeitpunkt des Magnetventils vorverlegt und die Menge ver­ ringert, wenn die Abweichung negativ ist.

Unabhängig von allen Anfangsdiskrepanzen zwischen den tat­ sächlichen und den Sollwerten der Ansaugluft und des Rest­ gases füllt der Bordrechner 74 eines laufenden Motors schnell seinen Korrekturspeicher mit Daten auf, welche eine geeignete Zusammensetzung der Ladung in jedem Motorzylinder bei allen Motordrehzahlen und Belastungen sicherstellt. Darüber hinaus setzt die Anordnung die Überwachung des Motorbetriebes fort und führt Korrekturen in regelmäßigen Intervallen aus, um Än­ derungen in den Betriebsfluideigenschaften, sowie jede plötz­ liche oder allmähliche Veränderung in dem Magnetventil­ verhalten zu kompensieren, um somit die optimalen und im we­ sentlichen gleichmäßigen Ansaugluft- und Restgasmengen zwi­ schen allen Zylindern unter allen Betriebszuständen sicherzu­ stellen.

In einer alternativen Ausführungsform wird eine Folgekraft­ stoffeinspritzung ebenfalls von dem Bordrechner 74 in ähnli­ cher Steuerungsform wie die Magnetventile gesteuert, mit der Ausnahme, daß die gesteuerte Variable die Kraftstoff­ einspritzimpulsdauer anstelle der Magnetventilimpulsdauer ist. Die erforderlichen nominalen Kraftstoffmengen werden durch Korrelation von Sensorinformationen mit in einem Spei­ cher des Bordrechners 74 gespeicherten Werten ermittelt. Die tatsächlichen Kraftstoffmengen werden aus den Werten der von in den einzelnen Abgaskanälen eingebauten Sauerstoffsensoren gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisse, oder durch Messen der von den einzelnen Zylindern erzeugten Be­ schleunigungsimpulse eines Motorschwungrades berechnet. Die Korrekturwerte werden dann ermittelt und dazu verwendet, einen getrennten Korrekturspeicher auf Werte einzustellen, welche zu den Nominalwerten addiert werden, um den für jeden einzelnen Zylinder erforderlichen individuellen Kraftstoff­ einspritzimpuls zu ermitteln.

Claims (12)

1. Verfahren zum individuellen Steuern des Öffnens und Schließens der Motorventile in einem Mehrzylinder-Ver­ brennungsmotor mit einem nockenlosen Ventilantrieb mit variablen Ventilbetätigungsvorgängen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist:

Erfassen einer Kurbelwellendrehwinkelstellung, der Drehzahl des Motors und eines Motordrehmomentbedarfs und Erzeugen eines entsprechenden Stellungs- und Drehzahl­ signals und eines entsprechenden Drehmomentbedarfssig­ nals;
Einlesen des Stellungs- und Drehzahlsignals und des Drehmomentbedarfssignals in einen Bordrechner;
Ermitteln einer Sollmenge der Ansaugluft und des Restgases für jeden Zylinder;
Jeweils für jeden Zylinder: Ermitteln eines entspre­ chenden Nominalwertes für den Zeitpunkt und die Dauer eines Aktivierungssignals, das an jedes von mehreren Hochdruck- und Niederdruckmagnetventilen zu senden ist;
Einlesen von Korrekturwerten für den Zeitpunkt des Aktivierungssignals für jedes Niederdruckmagnetventil aus einem Korrekturspeicher des Bordrechners;
Addieren der Korrekturwerte zu den Nominalwerten des Zeitpunktes für jedes Niederdruckmagnetventil, um korri­ gierte Werte in korrigierten Aktivierungssignalen zu er­ zeugen;
Aktivieren jedes Hochdruckmagnetventils mit den Nomi­ nalaktivierungssignalen und jedes Niederdruckmagnetven­ tils mit den korrigierten Aktivierungssignalen;
Überwachen der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des in jedem Zylinder enthaltenen Restgases;
Vergleichen der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des Restgases für jeden Zylinder mit der entsprechenden Sollmenge der Ansaugluft und des Restgases;
Ermitteln von Korrekturinkrementen für jeden Zylinder; und
Modifizieren der Korrekturwerte in dem Korrekturspeicher des Bordrechners mit den Korrekturinkrementen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Überwachung der tatsächlichen Mengen der An­ saugluft und des Restgases aufweist:

Erfassen eines Massenluftstroms der Ansaugluftmengen innerhalb einzelner Einlaßkanäle;
Messen eines Druckes und einer Temperatur in jedem Zylinder an einer spezifischen Kolbenbezugsstellung; und
Berechnen der Restgasmengen in jedem Zylinder.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Überwachung der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des Restgases aufweist:

Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einzelnen Abgaskanälen mit in den Abgaskanälen angeordneten Sauerstoffsensoren;
Berechnen der Ansaugluftmenge in jedem Zylinder;
Messen eines Druckes und einer Temperatur in jedem Zylinder an einer spezifischen Kolbenbezugsstellung; und
Berechnen der Restgasmenge in jedem Zylinder.

4. Hydraulisch betriebene nockenlose Ventilsteuerungs­ vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, für mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßventil in ei­ nem Zylinder eines Verbrennungsmotors, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

eine Hochdruckfluidquelle (40) und eine Niederdruck­ fluidquelle (42);
ein Zylinderkopfelement, das zur Befestigung an dem Mo­ tor angepaßt ist und mindestens eine darin enthaltene Einlaßventilbohrung und -kammer und mindestens eine Aus­ laßventilbohrung und -kammer aufweist, wobei das Einlaß- und das Auslaßventil jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Position innerhalb ihrer jeweiligen Zylin­ derkopfbohrungen und Kammern verschiebbar sind;
wobei:

das Einlaß- und Auslaßventil jeweils einen damit verbun­ denen und verschiebbar innerhalb seiner Kammer unterge­ brachten Ventilkolben (26) aufweisen, wovon jeder da­ durch eine erste und eine zweite Hohlkammer bildet, die sich mit der Auslenkung verändert, wenn sich das jewei­ lige Einlaß- oder Auslaßventil bewegt;
das Zylinderkopfelement zwischen den ersten und zweiten Hohlkammern und der Hochdruckfluidquelle (40) sich er­ streckende Hochdruckfluidkanäle (44), und zwischen den ersten Hohlkammern und der Niederdruckfluidquelle sich erstreckende Niederdruckkanäle (46) aufweist;
das Einlaß- und Auslaßventil jeweils ein zugeordnetes Hochdruckventil (64) und ein zugeordnetes Nieder­ druckventil (68) zum Regel des Fluidstroms in ihren je­ weils ersten Hohlkammern aufweist;
eine Steuereinrichtung (74) mit den Hockdruck- und Niederdruckventilen zusammenarbeitet, um selektiv die ersten Hohlräume mit der Hochdruckquelle und der Nieder­ druckquelle zu verbinden, um die Einlaß- und Auslaßven­ tile in zeitbezogener Relation zum Motorzustand hin und her zu bewegen;
eine erste Korrektureinrichtung mit der Steuerein­ richtung zusammenarbeitet, um den Zeitpunkt der Verbin­ dung des dem Einlaßventil zugeordneten ersten Hohlraums mit der Niederdruckquelle zu korrigieren; und
eine zweite Korrektureinrichtung mit der Steuerein­ richtung zusammenarbeitet, um den Zeitpunkt der Verbin­ dung des dem Auslaßventil zugeordneten ersten Hohlraums mit der Niederdruckquelle zu korrigieren.

5. Nockenlose Ventilsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Rückkopplungs­ sensoreinrichtung (58) aufweist, um zu ermitteln, ob die Einlaß- und Auslaßventile in richtiger zeitlicher Zuordnung zum Motorbetrieb in der Weise arbeiten, daß jedem Motorzylinder geeignete Mengen der Ansaugluft und des Restgases zugeführt bzw. aus diesem abgeführt werden.

6. Hydraulisch betriebene nockenlose Ventilsteuerungsvor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum individuellen variablen Steuern von Motorhubventilen in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Kur­ belwellendrehwinkelstellung und Drehzahl des Motors und eines Motordrehmomentbedarfs und zum Erzeugen eines ent­ sprechenden Stellungs- und Drehzahlsignals und eines entsprechenden Drehmomentbedarfssignals;
eine Einrichtung zum Einlesen des Stellungs- und Dreh­ zahlsignals und des Drehmomentbedarfssignals in einen Bordrechner;
eine Einrichtung zum Ermitteln einer Sollmenge der An­ saugluft und des Restgases für jeden Zylinder;
eine jedem Zylinder zugeordnete Einrichtung zum Er­ mitteln eines entsprechenden Nominalwertes für den Zeit­ punkt und die Dauer eines entsprechenden Aktivierungs­ signals, das an jedes von mehreren Hochdruck- und Nie­ derdruckmagnetventilen zu senden ist;
eine Einrichtung zum Einlesen von Korrekturwerten für den Zeitpunkt des Aktivierungssignals für jedes Nieder­ druckmagnetventil aus einem Korrekturspeicher des Bord­ rechners;
eine Einrichtung zum Addieren der Korrekturwerte zu den Nominalwerten des Zeitpunktes für jedes Niederdruckma­ gnetventil, um korrigierte Werte in korrigierten Akti­ vierungssignalen zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Aktivieren jedes Hochdruckmag­ netventils mit den Nominalaktivierungssignalen und jedes Niederdruckmagnetventils mit den korrigierten Akti­ vierungssignalen;
eine Einrichtung zum Überwachen der tatsächlichen Mengen der Ansaugluft und des in jedem Zylinder enthaltenen Restgases;
eine Einrichtung zum Vergleichen der tatsächlichen Men­ gen der Ansaugluft und des Restgases für jeden Zylinder mit der entsprechenden Sollmenge der Ansaugluft und des Restgases;
eine Einrichtung zum Ermitteln von Korrekturinkrementen für jeden Zylinder; und
eine Einrichtung zum Modifizieren der Korrekturwerte in dem Korrekturspeicher des Bordrechners mit den Korrek­ turinkrementen.