DE102020107603A1

DE102020107603A1 - Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020107603A1
Application number: DE102020107603.7A
Authority: DE
Inventors: Robin Insel; Thomas Werblinski; Peter Solfrank; Dirk Heintzen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Ein schaltbarer Ventiltrieb (1) eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors umfasst eine Mehrzahl zylinderspezifischer Schaltvorrichtung (4, 12) und eine gemeinsame, zylinderunspezifische Variationsvorrichtung (5), insbesondere in Form eines Nockenwellenverstellers. Schaltzustände der einzelnen Schaltvorrichtungen (4, 12) sind ohne zylinderspezifische Sensorik an der Variationsvorrichtung (5) detektierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines schaltbaren Ventiltriebs eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung einen Ventiltrieb, welcher mehrere zylinderspezifische Aktoren umfasst.
Ein variabler Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors ist beispielsweise aus der DE 10 2017 101 792 B4 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten e-Rocker-Ventiltrieb. Dieser Ventiltrieb umfasst mehrere schaltbare Schlepphebel, welche jeweils einen Primärhebel und einen Sekundärhebel aufweisen. Eine Kopplung zwischen dem Primärhebel und dem Sekundärhebel ist mit Hilfe eines Koppelelementes wahlweise herstellbar oder aufhebbar, wobei das Koppelelement durch einen Schaltbolzen betätigbar ist, welcher gegen die Rückstellkraft eines Federelementes verschiebbar ist. Je nach Schaltzustand des Koppelelementes ist eine von zwei möglichen Ventilerhebungskurven eingestellt.
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Ventiltrieben nach dem e-Rocker-System sind in den Dokumenten DE 10 2018 117 234 A1 , DE 10 2018 116 070 A1 und DE 10 2018 115 149 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb gegenüber dem genannten Stand der Technik dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und nutzbarer Funktion gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines schaltbaren Ventiltriebs gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen Ventiltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung, das heißt dem Ventiltrieb, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist anwendbar bei einem mehrzylindigen Verbrennungsmotor, welcher einzelnen Zylindern des Motors zugeordnete Schaltvorrichtungen aufweist, die diskrete Verstellmöglichkeiten, beispielsweise die Möglichkeit einer Umschaltung zwischen einem Nullhub und einer bestimmten Ventilerhebungskurve, bieten. Hierbei ist an mehreren, aber nicht notwendigerweise an allen Zylindern eine Schaltmöglichkeit gegeben. Weitere Voraussetzung für die Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine ebenfalls dem Ventiltrieb zuzurechnende gemeinsame Variationsvorrichtung, welche auf Ventile sämtlicher Zylinder des Verbrennungsmotors wirkt. Im Fall eines V-Motors oder eines W-Motors gilt dies zumindest für die Zylinder einer Zylinderbank. Im Unterschied zu den zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen ermöglicht die zylinderunspezifische Variationsvorrichtung eine kontinuierliche Verstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen des Verbrennungsmotors.
Erfindungsgemäß erfolgt die Detektion von Einstellungen der zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen durch Zustandserfassung an der Variationsvorrichtung. Hierbei kann durch eine zeitaufgelöste Messung eine Abweichung eines Schaltzustands von einem Sollzustand einem bestimmten Zylinder zugeordnet werden, das heißt die Position des betreffenden Zylinders im Motor festgestellt werden.
Die zylinderunspezifische Variationsvorrichtung wirkt in typischer Ausgestaltung auf mindestens eine Nockenwelle des Ventiltriebs. Insbesondere handelt es sich bei der zylinderunspezifischen Variationsvorrichtung um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller. Der Nockenwellenversteller weist vorzugsweise ein Dreiwellengetriebe, beispielsweise Wellgetriebe, als Stellgetriebe auf. Hinsichtlich möglicher Bauformen von Wellgetrieben wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2018 115 976 A1 und DE 10 2018 116 645 A1 hingewiesen.
Alternativ kommt ein hydraulischer Nockenwellenversteller als gemeinsame Variationsvorrichtung des Ventiltriebs in Betracht. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2018 118 098 A1 und DE 10 2018 115 184 A1 hingewiesen.
Die zylinderspezifischen, diskret schaltenden Schaltvorrichtungen des Ventiltriebs umfassen vorzugsweise Schaltschlepphebel. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2017 113 362 A1 und DE 10 2017 122 091 A1 hingewiesen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Schaltschlepphebel Komponenten eines e-Rocker-Systems. Die mögliche Gestaltung von Schaltschlepphebeln eines e-Rocker-Systems ist im Detail in der bereits genannten DE 10 2017 101 792 B4 beschrieben.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine schaltpositionsselektive Diagnose bei einem schaltbaren Ventiltrieb eines mehrzylindrigen Hubkolbenmotors ohne Sensorik an der betreffenden Schaltposition, das heißt ohne einzelne Sensorelemente an jedem Zylinder, ermöglicht wird. Vielmehr wird die mechanische Zwangskopplung zwischen Nocke und Nockenfolger, insbesondere Schaltschlepphebel, genutzt, um über das Nockenwellenmoment mit Hilfe eines Signals mit ausreichender Zeitauflösung, welches die Abhängigkeit des in der Nockenwelle wirkenden Moments von der Winkelstellung der Nockenwelle und damit auch der Kurbelwelle angibt, auf Zustände an der Ventilsteuerung eines einzelnen, bestimmten Zylinders zu schließen.
Weicht zum Beispiel der Schaltzustand, insbesondere der Ventilhub, an einer Schaltposition, das heißt an einem Zylinder, von den restlichen Schaltpositionen des Ventiltriebs ab, so drückt sich dies in einer zyklischen Änderung des Nockenwellenmoments aus. Um solche Abweichungen mit erhöhter Zuverlässigkeit festzustellen, können die zyklisch auftretenden Veränderungen über mehrere Nockenwellenumdrehungen hinweg erfasst werden. Die Zuordnung der festgestellten Abweichungen zu einem konkreten Zylinder genauer: dessen Ventilsteuerung ist möglich, da jedem Zeitpunkt des gemessenen Signals die Phasenlage der Nockenwelle zuordenbar ist. Auf die gleiche Weise sind auch Auffälligkeiten, insbesondere Ausfälle, die gleichzeitig an mehreren Zylindern auftreten, den betreffenden Zylindern eindeutig zuordenbar.
Der Nockenwellenversteller, das heißt die Variationsvorrichtung des Ventiltriebs, insbesondere mit elektromechanischer Betätigung, wird vorzugsweise mit Positionsregelung betrieben. Die Positionsregelgröße ist hierbei über Pulsweitenmodulation (PWM) realisierbar. Hinsichtlich Pulsweitenmodulation im Zusammenhang mit Ventilsteuerungen von Verbrennungsmotoren wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2018 130 468 A1 und DE 10 2014 202 428 A1 hingewiesen.
Im Fall des anmeldungsgemäßen, einen Nockenwellenversteller als Variationsvorrichtung umfassenden Ventiltriebs ist die Höhe eines PWM-Signals an eine Steuereinheit der Variationsvorrichtung ein Resultat der von der Steuereinheit vorgegebenen Phasenlage des Nockenwellenverstellers und des vom Betriebszustand abhängigen Momentes aus der Nockenwelle. Dies gilt sowohl bei hydraulischer als auch bei elektromechanischer Betätigung des Nockenwellenverstellers oder der sonstigen gemeinsamen, zylinderunspezifischen Variationsvorrichtung des Ventiltriebs. Ein Drehmoment, welches auf die Nockenwelle aufgeprägt wird, kann in beiden Fällen, das heißt bei hydraulischer wie auch bei elektromechanischer Betätigung, größer, kleiner oder gleich dem mittleren Moment der Nockenwelle sein. In allen Fällen ist das Nockenwellenmoment direkt aus der Positionsregelgröße des Phasenstellers, das heißt der Variationsvorrichtung, herleitbar.
Treten Änderungen des Nockenwellenmoments, welche auf eine Fehlfunktion des Ventiltriebs hinweisen können, zyklisch auf, so ist im Fall einer elektrischen Betätigung des Phasenstellers eine zyklische Veränderung der Stromaufnahme des Stellmotors des Phasenverstellers zu beobachten. Diese zyklische Veränderung der Stromaufnahme ergibt sich zwangsweise daraus, dass die Steuerung des Phasenstellers die störungsbedingten Schwankungen des Nockenwellenmoments auszugleichen versucht, um eine geforderte Regelposition zu halten. Eine entsprechende Funktion ist auch bei einem hydraulischen Phasenversteller gegeben, wobei sich in diesem Fall durch das Nockenwellenmoment der Druck eines Hydraulikmediums in Kammern des Phasenverstellers zyklisch verändert.
Umfasst der hydraulische Versteller, wie im Stand der Technik üblich, einen Zentralmagneten als Teil eines Zentralventils, so erfolgt zur Kompensation zyklisch auftretender, störungsbedingter Anomalitäten des Nockenwellenmoments eine automatische Anpassung eines den Zentralmagneten ansteuernden PWM-Signals, mit welchem die Position des Zentralventils beeinflusst wird.
Unabhängig davon, ob der Nockenwellenversteller hydraulisch oder elektromagnetisch betätigt wird, ist eine Steuereinheit, mit welcher das anmeldungsgemäße Betriebsverfahren durchführbar ist, beispielsweise durch ein zur Ansteuerung des Nockenwellenverstellers vorgesehenes Steuergerät realisiert. Ebenso kann die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors, welcher mindestens eine hydraulisch oder elektromagnetisch verstellbare Nockenwelle aufweist, zusätzlich die Funktion der genannten Steuereinheit ausüben.
Die Einflüsse von Abweichungen des Schaltzustandes einzelner, zylinderspezifischer Schaltvorrichtungen auf das Nockenwellenmoment müssen nicht notwendigerweise quantitativ erfasst werden, auch wenn im vorliegenden Text vereinfachend von Messung des Nockenwellenmoments die Rede ist. Vielmehr ist es ausreichend, wenn eine Information erfasst wird, die einen Schluss auf Abweichungen des Nockenwellenmoments von einem Sollwert zulässt. Eine solche Information liefert insbesondere ein Pulsweitenmodulationssignal.
Um Anomalitäten des PWM-Signals der Ventilsteuerung eines konkreten Zylinders zuordnen zu können, ist eine ausreichend hohe Auflösung des PWM-Signals erforderlich. Diese Auflösung ist insbesondere von der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors, vom Aufbau der zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen, sowie von der maximalen Nockenwellendrehzahl des Verbrennungsmotors abhängig.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 in symbolisierter Darstellung einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors,
2 ein Diagramm, welches sich auf den bestimmungsgemäßen Betrieb des Ventiltriebs bezieht,
3 und 4 jeweils in einem Diagramm analog 2 den Betrieb des Ventiltriebs mit zylinderspezifischen Störungen.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, nämlich vierzylindrigen Hubkolbenmotors, umfasst eine Nockenwelle 2 mit mehreren Nocken 3. Die Nocken 3 wirken auf Nockenfolger 4, bei welchen es sich im Ausführungsbeispiel um Schaltschlepphebel handelt.
Die Phasenlage der Nockenwelle 2 in Relation zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist mit Hilfe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers 5 verstellbar. Der Nockenwellenversteller 5 umfasst ein als Dreiwellengetriebe ausgebildetes Stellgetriebe 6, an dessen Gehäuse sich eine Verzahnung 7 befindet, die einen Antrieb des Gehäuses des Stellgetriebes 6 mittels eines Umschlingungsgetriebes oder Zahnradgetriebes ermöglicht. Das die Verzahnung 7 aufweisende Gehäuse stellt neben der zu verstellenden Nockenwelle 2 einer der drei Wellen des Dreiwellengetriebes 6 dar. Die dritte Welle liegt in Form einer Verstellwelle 9 vor, die drehfest mit der Motorwelle eines Elektromotors 8 gekoppelt ist.
Solange die Verstellwelle 9 mit derselben Drehzahl wie das Gehäuse des Stellgetriebes 6 rotiert, ändert sich die Phasenlage der Nockenwelle 2 nicht. Andernfalls erfolgt eine Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle 2 gegenüber der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Insgesamt stellt der Nockenwellenversteller 5 eine gemeinsame Variationsvorrichtung des Ventiltriebs 1 dar, das heißt eine Variationsvorrichtung, welche zylinderunspezifisch wirkt. Über eine Datenverbindung 11 ist der Nockenwellenversteller 5 mit einer Steuereinheit 10 verbunden. Weiter ist die Steuereinheit 10, welche nicht notwendigerweise als gesondertes Gerät ausgebildet ist, mit einem Aktor 12 gekoppelt, welcher eine Umschaltung des Nockenfolgers 4 zwischen zwei diskreten Schaltzuständen ermöglicht. Der Aktor 12 ist als elektromagnetischer Linear-Aktor ausgebildet und zur Verschiebung eines bolzenförmigen Koppelelementes 13 vorgesehen, mit welchem ein Rahmenteil 14 des Schlepphebels 4 mit einem Innenteil 15 des Schlepphebels 4 koppelbar ist. Allgemein wird das Rahmenteil 14 auch als Sekundärhebel und das Innenteil 15 auch als Primärhebel des Schaltschlepphebels 4 bezeichnet. Insgesamt ist durch den Schaltschlepphebel 4 zusammen mit dem Aktor 12 eine zylinderspezifische Schaltvorrichtung des Ventiltriebs 1 gegeben. Dies heißt, dass jedem Zylinder des Verbrennungsmotors eine gesonderte Schaltvorrichtung 4, 12 zugeordnet ist.
Im Folgenden wird von einer uneingeschränkten Funktionsfähigkeit des Nockenwellenverstellers 5 ausgegangen. Was die zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen 4, 12 betrifft, werden dagegen in den 3 und 4 Abweichungen vom bestimmungsgemäßen Betrieb betrachtet.
Zunächst wird auf 2 verwiesen, die sich auf den komplett ungestörten Betrieb des Ventiltriebs 1 bezieht. In Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel KW ist das zwischen der Nockenwelle 2 und dem Nockenwellenversteller 5 wirkende Moment NWM aufgezeichnet, welches, wie aus 2 hervorgeht, näherungsweise eine Sinuskurve beschreibt. M bezeichnet allgemein ein Moment. Aus dem oszillierenden Nockenwellenmoment NWM ergibt sich ein gestrichelt eingezeichnetes mittleres Moment MM. Ein Abweichungsgrad ist allgemein mit GR bezeichnet. Im in 2 betrachteten Zustand des Ventiltriebs 1 sei eine Abweichung AS der Phasenlage der Nockenwelle 2 von einer Sollposition gegeben. Der in Prozent (Skala GR) angebbare Grad der Abweichung AS stellt eine Größe dar, die von der Steuereinheit 10 verarbeitet wird und Ausdruck in der Pulsweitenmodulation PWM findet, mit welcher der Elektromotor 8 angesteuert wird. Die Pulsweitenmodulation PWM ist als Tastverhältnis, ebenfalls in Prozent, angebbar. Innerhalb des in 2 betrachteten Zeitraums, das heißt über zwei Kurbelwellenumdrehungen und somit über eine Nockenwellenumdrehung hinweg, ist das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation PWM konstant.
Die 3 bezieht sich auf einen Betriebszustand, in welchem einer der vier Schaltschlepphebel 4 fehlerbedingt abgeschaltet ist. Was die übrigen Schaltschlepphebel 4 betrifft, ist keine Veränderung im Vergleich zum Betriebszustand nach 2 gegeben. Die Abschaltung eines einzigen Schlepphebels 4 drückt sich deutlich sowohl im Verlauf des Nockenwellenmoments NWM als auch im mittleren Moment MM aus. Dies führt dazu, dass Ausschläge in der Abweichung AS von der Sollposition der Nockenwelle 2 auftreten, denen durch eine modifizierte Pulsweitenmodulation PWM automatisch begegnet wird. Die Lage des Zeitfensters, in welchem die Pulsweitenmodulation PWM automatisch angepasst wird, im Ausführungsbeispiel beginnend nach 360 Grad KW und endend nach 540 Grad KW, lässt einen Schluss auf den Zylinder zu, an welchem der Ventiltrieb 1 von seiner Sollfunktion abweicht. Diese zylinderspezifische Detektion einer Störung des bestimmungsgemäßen Betriebs des Ventiltriebs 1 erfolgt ohne jegliche Sensorik an den einzelnen Schaltvorrichtungen 4, 12. Vielmehr basiert die Auswertung in der beschriebenen Weise ausschließlich auf Basis der Ansteuerung des Elektromotors 8, welcher der zylinderunspezifischen Variationsvorrichtung 5 zuzurechnen ist.
In 4 wird ein Zustand betrachtet, in welchem sämtliche Schlepphebel 4 abgeschaltet sein sollen, das heißt ein Nullhub der Ventile eingestellt sein soll. Dementsprechend sollte lediglich ein minimales, annähernd verschwindendes Nockenwellenmoment NWM feststellbar sein. Tatsächlich ist jedoch auch im in 4 betrachteten Fall eine Störung an der Ventilsteuerung genau eines Zylinders gegeben. Die Störung liegt in diesem Fall darin, dass eine der Schaltvorrichtungen 4, 12 nicht auf Nullhub umgeschaltet hat. Dementsprechend ist im Verlauf des Nockenwellenmoments NWM ein einzelner Peak erkennbar. Dieser Peak drückt sich auch im mittleren Moment MM aus. Prinzipiell vergleichbar mit dem in 3 betrachteten Fall versucht die Steuereinheit 10 selbsttätig, eine Kompensation vorzunehmen, indem die Pulsweitenmodulation PWM kurzzeitig auf einen anderen, im vorliegenden Fall erhöhten Wert eingestellt wird. Die Erhöhung beginnt im in 4 betrachteten Fall nach 360 Grad KW und endet vor 540 Grad KW. Ebenso wie im in 3 betrachteten Fall liegt damit eine eindeutige Information darüber vor, welche der Schaltvorrichtungen 4, 12 abweichend von der Sollfunktion eingestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
2: Nockenwelle
3: Nocken
4: Nockenfolger, Schaltschlepphebel
5: Nockenwellenversteller, gemeinsame Variationsvorrichtung
6: Stellgetriebe
7: Verzahnung
8: Elektromotor
9: Verstellwelle
10: Steuereinheit
11: Datenverbindung
12: Aktor
13: Koppelelement
14: Rahmenteil
15: Innenteil
AS: Abweichung von einer Sollposition
GR: Abweichungsgrad
KW: Kurbelwellenwinkel
M: Moment
MM: mittleres Moment
NWM: Nockenwellenmoment
PWM: Pulsweitenmodulation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017101792 B4 [0002, 0011]
DE 102018117234 A1 [0003]
DE 102018116070 A1 [0003]
DE 102018115149 A1 [0003]
DE 102018115976 A1 [0008]
DE 102018116645 A1 [0008]
DE 102018118098 A1 [0009]
DE 102018115184 A1 [0009]
DE 102017113362 A1 [0010]
DE 102017122091 A1 [0010]
DE 102018130468 A1 [0014]
DE 102014202428 A1 [0014]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines schaltbaren Ventiltriebs (1) eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, wobei einzelnen Zylindern eine gesonderte Schaltvorrichtung (4, 12) und sämtlichen Zylindern einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors eine gemeinsame Variationsvorrichtung (5) zugeordnet ist, und wobei Schaltzustände der einzelnen Schaltvorrichtungen (4, 12) an der Variationsvorrichtung (5) detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variationsvorrichtung (5) auf eine Nockenwelle (2) des Ventiltriebs (1) wirkt, wobei die zylinderspezifische Detektion von Schaltzuständen durch Erfassung einer Information über ein Nockenwellenmoment erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Nockenwellenmoments ein in einer Verstellwelle (9) eines Nockenwellenverstellers (5) als Variationsvorrichtung wirkendes Drehmoment erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Verstellwelle (9) wirkende Drehmoment aus einem zur Ansteuerung des Nockenwellenverstellers (5) verwendeten Pulsweitenmodulationssignal hergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Umdrehungen der Nockenwelle (2) hinweg zyklisch auftretende, genau einem Zylinder des Verbrennungsmotors zuordenbare Abweichungen vom mittleren Nockenwellenmoment erfasst werden.
Ventiltrieb (1) eines Verbrennungsmotors, mit einer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgebildeten, sowohl mit zylinderspezifischen Aktoren (12) als auch mit einer zylinderunspezifischen Variationsvorrichtung (5) zusammenwirkenden Steuereinheit (10).
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderunspezifische Variationsvorrichtung (5) als elektromechanischer Nockenwellenversteller ausgebildet ist, welcher ein Dreiwellengetriebe als Stellgetriebe (6) umfasst.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderunspezifische Variationsvorrichtung (5) als hydraulischer Nockenwellenversteller ausgebildet ist.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen (4, 12) Schaltschlepphebel (4) umfassen.
Ventiltrieb (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderspezifischen Schaltvorrichtungen (4, 12) elektromagnetische Linear-Aktoren (12) umfassen.