DE10211699A1

DE10211699A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Zündaussetzern bei einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10211699A1
Application number: DE10211699A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Seethaler; Daniel Andersson; Till Scheffler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-03-16
Publication date: 2003-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Zündaussetzern einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Elektromagneten zur Betätigung eines jeweiligen Gaswechsel-Hubventils. DOLLAR A Um unabhängig von Parametern, wie Alterung und Streuung mechanischer Komponenten, eine sichere Erkennung von Zündaussetzern zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß die kinetische Energie des jeweiligen Gaswechsel-Hubventils durch einen Bewegungssensor erfasst und beim Öffnen des Gaswechsel-Hubventils durch den wenigstens einen Elektromagneten reduziert, so dass die kinetische Energie in Abhängigkeit von der Position des Gaswechsel-Hubventils unter einem vorgegebenen Wert bleibt. Außerdem wird die reduzierte Energie erfasst und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Ein Vergleichssignal, das Zündaussetzer anzeigt, wird durch eine Abbremssteuervorrichtung ausgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Zündaussetzern bei einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 4.
Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung in einem Kraftfahrzeug kann es zu Zündaussetzern kommen, die nachteilige Folgen für die Laufruhe der Brennkraftmaschine und für den Kraftstoffverbrauch haben. Um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können oder wenigstens den Fahrer warnen zu können, müssen die Zündaussetzer schnell und zuverlässig erkannt werden.
In jedem Kolben der Kolbenbrennkraftmaschine wird das Arbeitsmedium durch wenigstens zwei Gaswechsel-Hubventile ausgetauscht. Während diese Gaswechsel-Hubventile bisher mit der Abtriebswelle der Kolbenbrennkraftmaschine verbunden waren und so mechanisch gesteuert wurden, werden die Gaswechsel- Hubventile heute elektronisch von der Motorsteuerung angesteuert. Bewegt werden sie durch Federn und Elektromagnete, die mit einem mit dem Ventil fest verbundenen Anker zusammenwirken.

Der Bewegungsablauf des Ankers und damit des Gaswechsel-Hubventils wird durch Bestromung der Elektromagnete optimiert. So ist aus DE 198 32 196 ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators bekannt, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung reduziert wird. Dabei schließt sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase an, in welcher bis zum Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese getaktet elektrische Spannung angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt werden.

Aus DE 198 36 297 ist ein Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei die an der dem Anker näherliegenden und folglich bestromten Spule anliegende elektrische Spannung getaktet geregelt wird und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt wird. Dabei sind verschiedene Solltrajektorien für unterschiedliche Bewegungsabläufe des Ankers und/oder des Gaswechsel-Hubventiles vorgesehen.

Die Verwendung von elektronisch gesteuerten Gaswechsel-Hubventilen eröffnet neue Möglichkeiten bei der Erkennung von Zündaussetzern einer Kolbenbrennkraftmaschine. Aus DE 198 60 197 ist ein Verfahren zur Erkennung von Zündaussetzern an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung und einer Motorsteuerung zur Ansteuerung von elektromagnetischen Aktuatoren zur Betätigung der Gaswechselventile bekannt, bei dem jeweils als Ist-Wert die Zeitdifferenz zwischen dem durch die Motorsteuerung vorgegebenen Öffnungszeitpunkt und dem tatsächlichen Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils erfasst, mit einer vorgegebenen Toleranzzeitdifferenz als Soll-Wert verglichen und bei Unterschreiten dieses Soll-Wertes ein Signal erzeugt wird.

Ein Nachteil bei der Erkennung von Zündaussetzern nach diesem Stand der Technik ist es, dass externe Einflüssen wie etwa Alterung und Streuung der Aktuatoren nicht berücksichtigt werden können, da es kein einheitliches physikalisches Modell des Aktors gibt.

Ferner ist aus der anhängigen Patentanmeldung DE 102 05 382 ein Verfahren bekannt, mit dem sich in Abhängigkeit von der Auslenkung des Ventils eine Kraft zur Einstellung einer gewünschten Mittellagengeschwindigkeit vorgeben lässt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, womit unabhängig von Parametern wie Alterung und Streuung mechanischer Komponenten eine sichere Erkennung von Zündaussetzern möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. die Vorrichtung nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie oben beschrieben soll der Anker mit einer definierten Geschwindigkeit auf den Öffnermagneten am Ende der Bewegung aufsetzen, um die Geräuschentwicklung beim Umschalten der Ventile zu minimieren. Dazu wird der Anker und das Ventil zum erreichen des gewünschten Mittellagengeschwindigkeit entsprechend abgebremst. Ohne Gasgegendruck im Zylinder muss stärker abgebremst werden, d. h. dem System muss durch eine Bremsvorrichtung mehr Energie entzogen werden. Mit (hohem) Gasgegendruck im Zylinder wird beim Öffnen des Ventils Arbeit gegen den Gasdruck in dem Zylinder geleistet, wodurch dem System bereits durch den Gasgegendruck Energie entzogen ("Energievernichtung") wird. Die Bremsvorrichtung für den Anker/das Ventil braucht dem System weniger Energie zu entziehen.

Durch Integration des Kraftverlaufs entlang der Ventilbahn, der beispielsweise nach dem Verfahren aus DE 102 05 382 bestimmt werden kann, ergibt sich ein Maß für die dem System entzogene Energie bis zum Erreichen der Mittellage. Für das Erkennen von Zündaussetzern werden daher die potentielle Energie des Ventils aufgrund der Federkraft, die kinetische Energie des Ventils, und die Arbeit, die von dem Ventil gegen die Magnetkraft und den Gasgegendruck geleistet werden muss, betrachtet. Die Differenz zwischen der potentiellen Energie des Ventils aufgrund der Federkraft in seiner Anfangsstellung und der kinetischen Energie des Ventils beim Durchlaufen der Mittellage ergibt die Arbeit, welche das Ventil gegen die Gaskraft und die Magnetkraft zwischen Anfangslage und Mittellage verrichten muss. Die Arbeit des Ventils gegen die Gaskraft ergibt sich somit aus der Betrachtung von potentieller und kinetischer Energie des Ventils und der durch die Magnetkraft eingebrachten Energie. Anhand der Größe dieser Gasarbeit kann eine Aussage getroffen werden, ob ein Zündaussetzer vorlag oder nicht.

Die Energie des Ventils im Kraftfeld der Federn und des Magnetfeldes als Grundlage für die Beurteilung heranzuziehen, ob ein Zündaussetzer vorlag oder nicht, hat gegenüber der Überprüfung von Durchgangszeiten des Ventils beim Stand der Technik den Vorteil, dass die Energie unabhängig von Messaufbauten bestimmt werden kann.

Daraus lässt sich als Regel für die Zündaussetzerkennung ableiten: muss dem System viel Energie entzogen werden, so hat keine Verbrennung stattgefunden; muss dem System weniger Energie entzogen werden, hat eine normale Verbrennung stattgefunden. Man kann folglich aus der dem System entzogenen Energie darauf schließen, ob ein Zündaussetzer vorlag oder nicht.

Der tatsächliche Gasdruck in dem Kolben der Kolbenbrennkraftmaschine ist nicht für alle Lastbereiche der Kolbenbrennkraftmaschine konstant. In einer bevorzugten Ausführungsform werden daher die erwarteten Gasdruckwerte und damit die erwarteten Abbremsungswerte (Energieentnahmewerte) in einem Kennfeld in Abhängigkeit von dem Lastbereich der Kolbenbrennkraftmaschine abgelegt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne großen Mehraufwand in die bereits vorhandene Motorsteuerung implementieren lässt. Außerdem ist die Erkennung der Zündaussetzer gemäß der Erfindung sehr robust gegenüber äußeren Störungen, da sie auf den gleichen physikalischen Modellen beruht wie die Regelung des Bewegungsablaufes des Ventils selbst.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1A und 1B zeigen schematisch einen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventils und Aktuator-Ankers nach dem Stand der Technik.
Fig. 2A und 2B zeigen die bekannte Aufteilung der auf den Anker wirkenden Kräfte ohne bzw. mit Zündaussetzer gegenüber seiner Auslenkung.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild mit den Hauptkomponenten einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1A und 1B ist jeweils ein Gaswechsel-Hubventil 1 bekannter Bauart dargestellt. Das Ventil 1 wird von einer Öffnungsfederhalterung 2 gehalten und dient dazu, eine Einlass- bzw. Auslassöffnung in einer Zylinderwand 3 zu öffnen und zu schließen. Angetrieben wird das Ventil einerseits durch Rückstellfedern 4a und 4b, die i. a. gleichstark ausgelegt sind und die zwischen Öffnungsfederhalterung 2 bzw. Zylinderwand 3 und einer Federhalterung 5 am Schaft des Ventils 1 wirken, und andererseits durch einen Aktor 6 mit Elektromagneten in Verbindung mit einem Anker. In der in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigten Ausführungsform befindet sich ein erster Elektromagnet 6a oberhalb und ein zweiter Elektromagnet 6b unterhalb des Ankers 6c. Die beiden Elektromagnete 6a und 6b umfassen jeweils eine Wicklung, die in der Zeichnung grau dargestellt ist, und ein Eisenjoch, das in der Zeichnung doppelt schraffiert dargestellt ist. Der Anker 6c des Gaswechsel-Hubventils ist zur Vereinfachung in Fig. 1A und 1B fest mit dem Stößel oder Schaft 6d des Ventils verbunden.
Wird der obere Elektromagnet 6a bestromt, wird der Anker 6c angezogen, und der Schaft des Ventils mit seinen Elementen 6c, 6d und 6e bewegt sich gegen die Kraft der Rückstellfeder 4a nach oben, so dass die Öffnung in der Zylinderwand 3 durch einen Ventilfuß 6e an dem Schaftende verschlossen wird. Diese Situation ist in Fig. 1A gezeigt. Der obere Elektromagnet 6a wird auch Schließmagnet des Gaswechsel-Hubventils genannt.
Wird der Stromkreis durch den oberen Elektromagneten 6a unterbrochen und statt dessen der untere Elektromagnet 6b bestromt, so wird der Anker 6c gegen die Kraft der Rückstellfeder 4b nach unten gezogen, und der Schaft 6d bewegt sich in diese Richtung, wobei die Öffnung in der Zylinderwand 3 durch den Ventilfuß 6e freigegeben wird. Diese Situation ist in Fig. 1 B gezeigt, wobei durch Pfeile das Ausströmen des Arbeitsmediums aus dem Zylinder angedeutet ist. Der untere Elektromagnet 6b wird auch Öffnermagnet des Gaswechsel-Hubventils genannt.
Die Bestromung der Magneten 6a und 6b hängt jeweils von dem gewünschten Ventilhub und der gewünschten Schließ- bzw. Öffnungsdauer des Ventils ab. Aus DE 102 05 382 ist ein Verfahren bekannt, um einen Kraftverlauf zu ermitteln, mit dem sich eine gewünschte Mittellagengeschwindigkeit einstellen lässt. Die Integration des Kraftverlaufs entlang der Ventilbahn ergibt die Energie, welche dem Ventil/Ankersystem durch die Magnetkraft entzogen wird.
Um die Ventilbahn zu erfassen, wird die Auslenkung des Ventils durch einen Bewegungssensor 7 erfasst, der in der dargestellten Ausführungsform in Fig. 1A und 1B ein induktiver Sensor ist. (Als Bewegungssensor 7 kann statt eines Magnetsensors auch ein kapazitiver Sensor oder ein optischer Sensor verwendet werden.) Seine im Querschnitt dargestellte Sensorspule befindet sich oben an der Öffnungsfederhalterung 2.
In Fig. 2A und Fig. 2B ist die auf den Stößel wirkende Kraft F über den Weg x aufgetragen. Die Kraft F setzt sich aus einer magnetischen Komponente 8 und einer Gasdruckkomponente 9 zusammen. Sie nimmt in der hier vereinfacht dargestellten Weise mit der Auslenkung des Stößels linear ab. Gezeigt ist Anpassung der Kraftkomponente des Elektromagneten an die Kraftkomponente, die durch den Gasdruck ausgeübt wird.
Fig. 2A zeigt den Fall, dass ein normaler Zündvorgang im Zylinder stattgefunden hat. Beide Kraftkomponenten sind etwa gleich groß. Die Kraft auf den Stößel ist zu Beginn der Bewegung (links) sehr groß. Je weiter der Stößel jedoch die Öffnung in der Zylinderwand 3 freigibt, desto geringer wird die Kraft, die der Gasdruck auf den Stößel ausübt. Andererseits erweitert sich der Luftspalt zwischen Schließermagnet und Anker, so dass die Bremskraft 8 ebenfalls kleiner ausfallen soll. Man erhält so die stetige Abnahme der Kraft, die in Fig. 2A dargestellt ist.
Fig. 28 zeigt den Fall, dass keine normale Zündung stattgefunden hat. Jetzt ist die Gasdruckkraft 9 deutlich kleiner als in Fig. 2A. Der Anker 6c würde aufgrund des fehlenden Widerstandes zu schnell die Mittellage passieren, um ein geregeltes Aufsetzen des Ankers auf den Öffnungsmagneten zu gewährleisten. Der fehlende Widerstand durch das Gas im Zylinder muss also durch den Schließermagnet 6a kompensiert werden. Der Schließermagnet 6a bremst den Anker auf seinem Weg zur Mittellage, indem er so bestromt wird, dass der Anker 6c sich nur "langsam" von ihm löst. Die magnetische Komponente 8 in Fig. 2B ist größer als die in Fig. 2A.
Die reduzierte Energie, d. h. die Abbremsenergie bzw. die in den Schließermagneten 6a eingespeiste Energie wird erfasst und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Anschließend wird ein Vergleichssignal ausgegeben, das Zündaussetzer anzeigt.
Zur Ermittlung der Abbremsenergie kann entweder die Magnetleistung über die Zeit oder die Magnetkraft über den Weg integriert werden. Bevorzugt wird die Integration der Kraft über den Weg durchgeführt, was im folgenden beschrieben wird.
Der Flächeninhalt unter dem durch die Kurve 8 bzw. 9 wiedergegebenen Kraftverlauf über den Weg des Ventils entspricht der Bremsenergie. Die Differenz der Flächeninhalte der Kurve 8 und der Kurve 9 wird mit einem Vergleichswert oder Schwellenwert verglichen, und anhand des Vergleichsergebnisses wird entschieden, ob ein Zündaussetzer vorlag oder nicht.
In Fig. 3 ist schematisch ein perspektivisch dargestelltes Ventil und eine Ausführungsform einer Vorrichtung gezeigt, mit der das oben beschriebene Verfahren umgesetzt werden kann. Von dem Sensor 7 wird das Ortssignal x an eine Vorrichtung 10, welche die notwendige Bremskraft F_Brems berechnet, um eine gewünschte Mittellagengeschwindigkeit zu erreichen. Diese Bremskraft wird nun von einer Kraft-Strom-Wandlereinrichtung 11 in eine Magnetbestromung I_Brems umgerechnet. Gleichzeitig wird diese Kraft in einem Integrator 12 über den Weg x integriert und mit einem Schwellenwert verglichen. Sobald erkannt wird, dass die dem Anker 6c entzogene Energie größer als erwartet ist, wird ein Zündaussetzersignal von dem Integrator 12 ausgegeben.
Der Schwellenwert für den Integrator 12 wird in der gezeigten Ausführungsform von einem Kennfeld-Speicher 13 ausgegeben, aus dem er in Abhängigkeit von der momentanen Motorlast ausgelesen wird. Damit lässt sich die Erkennung von Zündaussetzern an die tatsächliche Last anpassen, so dass es nicht zu einer fehlerhaften Ausgabe eines Zündaussetzersignals kommt. Die Lastvorgabe für den Kennfeld-Speicher 13 kommt insbesondere von einer (nicht dargestellten) Motorsteuerung. Bezugszeichen 1 Gaswechsel-Hubventil
2 Ventilhalterung
3 Ein-Auslasskanal von Zylinder
4 Feder, 4a Ventilschließfeder = (erste) Rückstellfeder, 4b Ventilöffnungsfeder = (zweite) Rückstellfeder
5 Federhalterung an Schaft
6 Aktuator, 6a Schließermagnet, 6b Öffnermagnet, 6c Anker, 6d Schaft, 6e Ventilfuß
7 Bewegungssensor, Sensorspule
8 Kraft von Elektromagnet
9 Kraft durch Gasgegendruck
10 Bremskraftberechnung
11 Kraft-Strom-Wandler
12 Integrator mit Vergleicherfunktion
13 lastabhängige Schwellenwertvorgabe
F Kraft
x Position des Ankers

Claims

1. Verfahren zum Erkennen von Zündaussetzern einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, dessen Arbeitsmedium durch wenigstens zwei Gaswechsel-Hubventile (1) ausgetauscht wird, die jeweils einen Anker (6c) aufweisen, der mit wenigstens einem Elektromagneten (6a, 6b) zur Betätigung des jeweiligen Gaswechsel-Hubventils zusammenwirkt, wobei der Anker (6c) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (4a, 4b) zwischen einer offenen Position des Gaswechsel-Hubventils und einer geschlossenen Position des Gaswechsel-Hubventils bewegt wird, gekennzeichnet durch
Ermitteln der kinetischen Energie des Ankers (6c) durch einen Bewegungssensor (7),
Reduzieren der kinetischen Energie des Ankers (6c) beim Öffnen des Gaswechsel-Hubventils (1) durch den wenigstens einen Elektromagneten (6a, 6b), so dass die kinetische Energie des Ankers in Abhängigkeit von der Position des Gaswechsel-Hubventils unter einem vorgegebenen Wert bleibt, und
Erfassen der reduzierten Energie und Vergleichen mit einem vorgegebenen Schwellenwert und Ausgeben eines Vergleichssignals, das Zündaussetzer anzeigt, durch eine Abbremssteuervorrichtung (10, 11, 12).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der kinetischen Energie des Ankers (6c) eine Ortskoordinate (x) des Ankers durch den Bewegungssensor (7) zeitlich erfasst wird und zum Reduzieren der kinetischen Energie des Ankers (6c) ein Elektromagnet (6a, 6b) bestromt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert in Abhängigkeit von dem Lastbereich der Kolbenbrennkraftmaschine abgelegt ist in einem Kennfeld-Speicher (13).

4. Vorrichtung zum Erkennen von Zündaussetzern einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, dessen Arbeitsmedium durch wenigstens zwei Gaswechsel-Hubventile (1) ausgetauscht wird, die jeweils einen Anker (6c) aufweisen, der mit wenigstens einem Elektromagneten (6a, 6b) zur Betätigung des jeweiligen Gaswechsel-Hubventils zusammenwirkt, wobei der Anker (6c) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (4a, 4b) zwischen einer offenen Position des Gaswechsel-Hubventils und einer geschlossenen Position des Gaswechsel-Hubventils bewegt wird, gekennzeichnet durch
einen Bewegungssensor (7) zum Ermitteln der kinetischen Energie des Ankers (6c),
eine Abbremssteuervorrichtung (10, 11, 12) zum Reduzieren der kinetischen Energie des Ankers (6c) beim Öffnen des Gaswechsel-Hubventils (1) durch den wenigstens einen Elektromagneten (6a, 6b), so dass die kinetische Energie des Ankers in Abhängigkeit von der Position des Gaswechsel- Hubventils unter einem vorgegebenen Wert bleibt, und zum Erfassen und zum Vergleichen der reduzierten Energie mit einem vorgegebenen Schwellenwert und zum Ausgeben eines Vergleichssignals, das Zündaussetzer anzeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bewegungssensor (7) zum Ermitteln der kinetischen Energie des Ankers eine Ortskoordinate (x) des Ankers zeitlich erfasst und
ein Elektromagnet (6a, 6b) zum Reduzieren der kinetischen Energie des Ankers (6c) bestromt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (7) ein Magnetsensor ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet dadurch einen Kennfeld-Speicher (13) zum Ablegen des Schwellenwerts in Abhängigkeit von einem Lastbereich der Kolbenbrennkraftmaschine.