DE60104940T2 - System für verstellbare Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine das eine Variation von Öffnungsdauer und Öffnungsphase ermöglicht - Google Patents

System für verstellbare Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine das eine Variation von Öffnungsdauer und Öffnungsphase ermöglicht Download PDF

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Takanobu Zushi-shi Sugiyama
Tsuneyasu Fujisawa-shi Noharu
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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein veränderliches Ventilbetätigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Ein derartiges System ist aus der Druckschrift EP-A-0 854 273 bekannt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Öffnungszeiten von Einlassventilen und Auslassventilen überdecken sich üblicherweise in den letzten Phasen des Auslasshubes. Eine Ventilüberdeckung in einem mit Blick auf die Winkelgrade bei der Kurbelwelle vorbestimmten Ausmaß ist für die Verbesserung der Lufteinlass- und Auslasseffizienz relevant. Bei einer Ventilüberdeckung im Niedriglastbetrieb, in dem in einem Einlassrohr an einem Drosselventil ein Negativdruck, der auf einem vergleichsweise niedrigen Wert gehalten wird, übermäßig ansteigt, besteht die Möglichkeit des Rückflusses einer großen Menge von Auspuffgasen. Dies verschlechtert die Verbrennungsstabilität. Die unerwünschte gesteigerte Ventilüberdeckung bewirkt einen ungleichmäßigen Leerlauf. Es ist demgegenüber wünschenswert, die Ventilüberdeckung in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen veränderlich zu steuern. Ein derartiges veränderliches Ventilzeitsteuersystem, das in der Lage ist, die Ventilüberdeckung eines Einlass-/Auslassventils veränderlich zu steuern, wird in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung 59-103910 (nachstehend als JP59-103910 bezeichnet) beschrieben. Die Druckschrift JP59-103910 offenbart die positive Verwendung eines inneren Auspuffgasrücklaufes (exhaust gas recirculation EGR) zum Zwecke einer schnellen Aktivierung eines Katalysators (Verbesserung der Kennwerte des Temperaturanstieges des Katalysators) im Kaltmotorbetrieb. Um die Ventilüberdeckung und damit den inneren EGR-Effekt im Kaltmotorbetrieb zu vergrößern, werden die Einlassventilöffnungszeit (intake valve open timing IVO) und die Einlassventilverschlusszeit (intake valve closure timing IVC) vorverlegt, während die Auslassventilöffnungszeit (exhaust valve open timing EVO) und die Auslassventilverschlusszeit (ex haust valve closure timing EVC) beide fest sind. Dies verbessert die katalytische Umwandlungseffizienz im Kaltmotorbetrieb. Bedingt durch eine durch sich verändernde Werte für IVO und IVC vergrößerte Ventilüberdeckung besteht jedoch erhöhte Neigung dahingehend, dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe an den Kolbenstegen anhaften, die über das Auspuffrohr an die Atmosphäre abgegeben werden müssen. Um dies zu vermeiden (das heißt, um die Kohlenwasserstoffemissionen während des Kaltmotorbetriebs zu verringern), offenbart die vorläufige japanische Patentveröffentlichung 7-109934 (nachstehend als JP-109934 bezeichnet) eine Vorverlegung von EVC wie auch eine Vorverlegung von IVO im Kaltmotorbetrieb.
  • Die Druckschrift EP-A-0 854 273 offenbart zwei Einlassventile, die gleichzeitig von einem Ventilbetätigungsarm betätigt werden, der sich über dem vorderen Ventilende in T-Form erstreckt. Der Ventilbetätigungsarm weist zwei hydraulische Steller auf, die oberhalb des vorderen Endes jedes Ventils angeordnet sind. Druckbeaufschlagtes Öl für die Steller wird über ein auf der linken Seite befindliches Trägerlager sowie einen Durchlass zugeführt. Der Einlassventilbetätigungsarm ist über eine Kipphebelwelle mit einem Zylinderkopf verbunden. Der Ventilbetätigungsarm ist über einen Einpressstift dauerhaft mit der Kipphebelwelle verbunden. Die Druckschrift offenbart darüber hinaus einen Nockenstößel vom Short-event-roller-Typ, der auf der Seite des Ventilbetätigungsarmes an der Kipphebelwelle angeordnet ist und sich in Reaktion auf die Short-event-Nockennase bewegt, wobei der Short-event-Nockenstößel über einen Einpressstift dauerhaft mit der Kipphebelwelle verbunden ist.
  • Durch die Verwendung des vorstehend erläuterten Arbeitswinkelsteuermechanismus kann der Arbeitswinkel des Einlassventils veränderlich gesteuert werden.
  • Darüber hinaus offenbart die Druckschrift EP-A-0 854 273 einen Phasensteuermechanismus, der die Phase des Arbeitswinkels eines Ventils veränderlich steuert. Ein Nockenwellenphaseneinsteller weist einen Ölzuführdurchlass auf, durch den Öl oder ein anderes Schmiermittel unter einem gesteuerten veränderlichen Druck in einen Phasenstellergehäusehohlraum eingeführt wird. Der Druck des Öls bewirkt, dass sich der Phasensteller von einer vorderen Abdeckplatte aus nach rechts bewegt. Der Bewegung des Phasenstellerrings wirkt eine Hauptfeder entgegen. Diese Anordnung ermöglicht eine hydraulisch steuerbare Phasenverschiebung der Nockenwelle.
  • Die vorstehend beschriebenen Mechanismen sind auf die Geschwindigkeit und den Lastbereich des Motors abgestimmt, um optimale Ergebnisse im gesamten Betriebsbereich des Motors zu erreichen.
  • Bei dem in der Druckschrift EP-A-0 854 273 offenbarten Ventilbetätigungssystem besteht nicht die Möglichkeit, den Ventilarbeitswinkel und die Ventilöffnungsphase in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur des Motors zu steuern, weshalb eine übermäßig große Ventilüberdeckung auftreten kann. Bei Nichtvorhandensein dieser Information gehen in die Veränderung des Arbeitswinkels und der Ventilöffnungsphase die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Motors nicht ein. Dieses Problem tritt insbesondere im Kaltmotorbetrieb (insbesondere nach dem Anlassen des kalten Motors) auf.
  • Die Druckschrift US-A-5,497,737 offenbar die veränderliche Steuerung der Einlassventilöffnungszeit (IVO), der Einlassventilverschlusszeit (IVC), der Auslassventilöffnungszeit (EVO) und der Auslassventilverschlusszeit (EVC) in Abhängigkeit von der Motortemperatur (der von einem Temperatursensor erfassten Temperatur des Kühlmittels) und anderen Motorbetriebsbedingungen, so beispielsweise der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast, zum Zwecke der Abstimmung der Ventilkennwerte auf verschiedene Motorbetriebskennwerte im Kaltmotorbetrieb wie auch im Warmmotorbetrieb. So werden beispielsweise im Kaltmotorbetrieb in einem Bereich niedriger Geschwindigkeit und hoher Last die beiden Werte IVO und IVC vorverlegt, während der Wert EVC vorverlegt und der Wert EVO verzögert wird, um einen angemessenen Ausgleich für die Ventilüberdeckung zu schaffen, und um Kohlenwasserstoffe zu verringern, ohne dass sich die Verbrennungsstabilität des Motors verschlechtern würde.
  • Die Druckschrift US-A-5,497,737 offenbart eine für den kalten Motor gedachte Einlassventilhubkennwertesteuerung, gemäß der die Einlassventilhubkennwerte (in die sowohl der Arbeitswinkel des Einlassventils wie auch die Phase des Arbeitswinkels des Einlassventils eingehen) gesteuert und auf einen bestimmten Ventilhubkennwert festgelegt werden, der für den Kaltmotorbetrieb geeignet ist. Dies bedeutet für das aus der Druckschrift US-A-5,497,737 bekannte System, dass die Einlassventilhubkennwerte für den kalten Motor auf einen vorbestimmten konstanten Hubkennwert festgelegt werden, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, und zwar unabhängig von den Motorbetriebs bedingungen, wie beispielsweise der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast. Zudem wird die Temperatur des Kühlmittels gemessen, woraus jedoch keinerlei Information ableitbar ist, die für eine direkte Bewertung der Ansprechempfindlichkeit der den Arbeitswinkel und die Phasenschwankung regulierenden hydraulischen Stellglieder nutzbar wäre.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Bei Verwendung eines hydraulisch betätigten Stellgliedes als Stellglied für einen veränderlichen Einlassventilarbeitswinkelsteuermechanismus und/oder einen veränderlichen Einlassventilphasensteuermechanismus hat das hydraulisch betätigte Stellglied verschiedene Vorteile, darunter beispielsweise einen einfachen Aufbau, eine große Antriebskraft und dergleichen. Demgegenüber hat das hydraulisch betätigte Stellglied auch Nachteile, darunter beispielsweise einen hohen Viskositätskoeffizient während des Anlaufens des kalten Motors, das heißt eine mechanische Reaktionsverzögerung. Insbesondere ist während des Anlaufens des kalten Motors bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten die Abgabe eines Arbeitsfluids, das aus einer als Arbeitsfluiddruckquelle für das Stellglied dienenden hydraulischen Pumpe ausströmt, ungenügend, wobei zudem der Viskositätskoeffizient des Arbeitsfluids hoch ist. Während der Anlaufzeit des kalten Motors neigt für den Fall, dass die Ventilüberdeckung durch eine veränderliche Steuerung der Einlass-/Auslassventilzeit positiv in Richtung einer sich vergrößernden Ventilüberdeckung gesteuert wird, die aktuelle Ventilüberdeckung dazu, mehr als eigentlich nötig zu steigen. Hierdurch wird die Verbrennungsstabilität gesenkt. Ein Weg der Verbesserung der mechanischen Reaktionsverzögerung des Stellgliedes besteht in einer Erhöhung des Arbeitsfluidausstoßes aus der hydraulischen Pumpe. In einem derartigen Fall treten jedoch einige Probleme auf, darunter ein vergrößerter Antriebsmomentverlust, eine verschlechterte Kraftstoffausnutzung sowie gesteigerte Produktionskosten. Eine Kombination aus einer veränderlichen Arbeitswinkelsteuerung für das Einlassventil und einer veränderlichen Phasensteuerung für das Einlassventil kann zu einer Verringerung des Reibungsverlustes bedingt durch den wirkungsvoll verringerten Arbeitswinkel und zu einer Verringerung des Pumpverlustes bedingt durch den wirkungsvoll vorverlegten IVC-Wert führen, wodurch wiederum die Kraftstoffausnutzung verbessert wird. Darüber hinaus kann der Ventilhub bedingt durch den wirkungsvoll verringerten Arbeitswinkel auf einen kleinen Wert eingestellt werden. Dies fördert die Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffnebels, wodurch unverbrannte Kohlenwasserstoffe wirkungsvoll verringert werden.
  • Entsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein veränderliches Ventilbetätigungssystem eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, das in der Lage ist, den Arbeitswinkel und die Phase zu ändern, wobei die vorstehend aufgeführten Nachteile vermieden werden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein veränderliches Ventilbetätigungssystem eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, bei dem ein veränderlicher Arbeitswinkelsteuermechanismus und ein veränderlicher Phasensteuermechanismus zum Einsatz kommen, die beide derart von einem anliegenden Druck eines Arbeitsfluids angetrieben werden, dass sowohl der Arbeitswinkel wie auch die Phase des Einlassventils veränderlich gesteuert werden; wodurch es möglich wird, eine weitere Leistungsverbesserung und eine wirkungsvoll gesteigerte Kraftstoffausnutzung zu gewährleisten, während eine übermäßige Ventilüberdeckung und damit eine verbesserte Verbrennungsstabilität auch während des Kaltmotorbetriebes, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids unter einem vorgegebenen Temperaturwert liegt, gesichert sind.
  • Zur Lösung der vorstehend aufgeführten Aufgaben sowie weiterer Aufgaben sind ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
  • Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung deutlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Systemblockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen veränderlichen Ventilbetätigungssystems zeigt.
  • 2 ist ein Systembetriebsblockdiagramm, das die Systemkomponentenanordnung für die veränderliche Arbeitswinkelsteuerung des veränderlichen Ventilbetätigungssy stems dieses Ausführungsbeispiels zeigt.
  • 3 ist eine Längsschnittansicht, die den detaillierten Aufbau des veränderlichen Phasensteuermechanismus des veränderlichen Ventilbetriebssystems des Ausführungsbeispiels zeigt.
  • 4 ist ein Kennwertediagramm für einen vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereich, wobei das Diagramm in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
  • 5 ist ein Kennwertediagramm für einen vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereich, wobei das Diagramm einen linksseitigen Regulierbereich G1 zeigt, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, wobei der Bereich G1 im Vergleich zu einem Regulierbereich F1, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, beschränkt sowie durch einen schattierten Parallelogrammbereich angedeutet ist.
  • 6 ist ein Kennwertediagramm, das Schwankungen bei der Einlassventilöffnungszeit (IVO) und der Einlassventilverschlusszeit (IVC) im Warmmotorbetrieb bei dem in 4 gezeigten Kennwertediagramm des vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereiches zeigt.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerroutine darstellt, die von dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispiels ausgeführt wird.
  • 8A ist ein vorprogrammiertes Arbeitswinkelsteuerdiagramm (MAP A) für den Warmmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern einer elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 8B ist ein vorprogrammiertes Arbeitswinkelsteuerdiagramm (MAP C) für den Warmmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 9 ist ein vorprogrammiertes Arbeitswinkelsteuerdiagramm (MAP B oder MAP B') für den Warmmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 10 ist ein vorgegebenes IVO-IVC-Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines zweiten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, und das einen linksseitigen Regulierbereich G2 für den Kaltmotorbetrieb zeigt.
  • 11 ist ein vorgegebenes IVO-IVC-Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines dritten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, und das einen linksseitigen Regulierbereich G3 für den Kaltmotorbetrieb zeigt.
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerroutine darstellt, die von dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des zweiten und des dritten Ausführungsbeispieles ausgeführt wird.
  • 13 ist ein vorprogrammiertes Phasensteuerdiagramm (MAP D') für den Kaltmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des zweiten und dritten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 14 ist ein vorgegebenes IVO-IVC-Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines vierten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, und das einen linksseitigen Regulierbereich G4 zeigt, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, wobei der Bereich G4 im Vergleich zu einem Regulierbereich F2, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, übermäßig eingeschränkt sowie durch einen schattierten Parallelogrammbereich angedeutet ist.
  • 15 ist ein Kennwertediagramm, das Schwankungen bei der Einlassventilöffnungs zeit (IVO) und der Einlassventilverschlusszeit (IVC) im Warmmotorbetrieb bei dem in 4 gezeigten Kennwertediagramm des vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereiches zeigt.
  • 16 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerroutine darstellt, die von dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispiels ausgeführt wird.
  • 17A ist ein vorprogrammiertes Arbeitswinkelsteuerdiagramm (MAP A") für den Warmmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 17B ist ein vorprogrammiertes Phasensteuerdiagramm (MAP C") für den Warmmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 18 ist ein vorprogrammiertes Phasensteuerdiagramm (MAP D") für den Kaltmotorbetrieb, wobei das Diagramm in Speichern der elektronischen Steuereinheit (ECU) abgelegt ist, die in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt.
  • 19 ist ein vorgegebenes IVO-IVC-Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines fünften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, und das einen linksseitigen Regulierbereich G5 zeigt, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, wobei der Bereich G5 im Vergleich zu einem Regulierbereich F2, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, übermäßig eingeschränkt sowie durch einen schattierten Parallelogrammbereich angedeutet ist.
  • 20 ist ein vorgegebenes IVO-IVC-Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines sechsten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, und das einen linksseitigen Regulierbe reich G6 zeigt, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, wobei der Bereich G6 im Vergleich zu einem Regulierbereich F3, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, übermäßig eingeschränkt sowie durch einen schattierten Parallelogrammbereich angedeutet ist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • In der Zeichnung und insbesondere in 1 ist ein erfindungsgemäßes veränderliches Ventilbetätigungssystem beispielhalber anhand eines Benzinmotors dargestellt. Wie in 1 gezeigt ist, sind für jeden Motorzylinder ein Paar von Einlassventilen 1 und ein Paar von Auslassventilen 2 (nicht nummeriert) vorgesehen. Ein Ventilstößel 2 ist über jedem der Einlassventile 1 angeordnet. Eine Antriebswelle 3 ist über dem Ventilstößel 2 derart angeordnet, dass sie sich in Richtung der Zylinderreihe erstreckt. Die Antriebswelle 3 weist eine Antriebsverbindung mit einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle des Motors derart auf, dass sie sich während einer Drehung der Kurbelwelle um ihre Achse dreht. Ein schwenkbarer Nocken 4 ist oszillierend auf den äußeren Umfang der Antriebswelle 3 derart aufgepasst, dass die Nockenkonturfläche des schwenkbaren Nockens in Nockenverbindung mit dem zugehörigen Einlassventil 1 steht. Aus diesem Grunde sind zwei schwenkbare Nocken (4, 4) über den jeweiligen Einlassventilen jedes Motorzylinders angeordnet. Das Einlassventil bewegt sich aufgrund der oszillierenden Bewegung des schwenkbaren Nockens 4 aufwärts und abwärts (das heißt; es wird geöffnet und geschlossen). Dies bedeutet insbesondere, dass sich das Einlassventil öffnet, wenn es sich gegen die Federvorbelastung einer Ventilrückstellfeder entsprechend der oszillierenden Bewegung des schwenkbaren Nockens 4 nach unten bewegt. Im umgekehrten Fall gilt, dass sich das Einlassventil schließt, wenn sich das Einlassventil durch die Wirkung der Vorbelastung der Rückstellfeder nach oben bewegt. Wie aus dem Systemblockdiagramm von 1 ersichtlich ist, umfasst das veränderliche Ventilbetätigungssystem des Ausführungsbeispiels einen veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10, der den Arbeitswinkel (die Ventilöffnungszeit) des Einlassventils 1 veränderlich steuert oder einstellt, sowie einen veränderlichen Phasensteuermechanismus 20, der die Phase des Arbeitswinkels des Einlassventils veränderlich steuert. Unter Phase des Arbeitswinkels ist hierbei die Winkelphase des maximalen Ventilhubpunktes (oftmals „Mittenwinkel" genannt) zu verstehen. Das veränderliche Ventilbetätigungssystem des Ausführungsbeispiels umfasst darüber hinaus ein Arbeitswinkelsteuerstellglied 30, das den veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 in Reaktion auf einen Zuführdruck eines Arbeitsöls (Arbeitsfluids) steuert, ein Phasensteuerstellglied 40, das den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 in Reaktion auf einen Zuführdruck des Arbeitsöls (Arbeitsfluids) steuert, sowie einen Steuerabschnitt (das heißt eine Motorsteuereinheit ECU 50), die den Zuführdruck, der an dem Arbeitswinkelsteuerstellglied 30 wirkt, mittels eines Magnetventils 31 und den Zuführdruck, der an dem Phasensteuerstellglied 40 wirkt, mittels eines Magnetventils 41 steuert. Eine Ölpumpe 9 dient als Fluiddruckquelle für die beiden Stellglieder 30 und 40. Die Auslassöffnung der Ölpumpe 9 ist mit den Magnetventilen 31 und 41 verbunden. Der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 ist zwischen der Antriebswelle 3 und dem Paar schwenkbarer Nocken (4, 4) zu dem Zwecke vorgesehen, die Stellung eines Verbindungsgliedes, über das die Antriebswelle mechanisch mit jedem der schwenkbaren Nocken (4, 4) verbunden ist, zu ändern, wie auch zu dem Zwecke, den Arbeitswinkel und den Ventilhub des Einlassventils 1 stetig zu ändern. Der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 umfasst einen Antriebsnocken 11, ein ringförmiges Verbindungsglied (erstes Verbindungsglied) 12, eine Steuerwelle 13, einen Steuernocken 14, einen Kipphebel 15 sowie ein stangenartiges Verbindungsglied (zweites Verbindungsglied) 16. Der Antriebsnocken 4 ist fest mit der Antriebswelle 3 derart verbunden, dass die Achse des Antriebsnockens exzentrisch gegenüber der Achse der Antriebswelle liegt, und dass sich die Antriebswelle zusammen mit dem Antriebsnocken dreht. Das ringförmige Verbindungsglied (erstes Verbindungsglied) 12 ist auf den Außenumfang des Antriebsnockens 11 derart aufgepasst, dass es gegenüber der Antriebswelle 11 drehbar ist. Die Steuerwelle 13 ist im Wesentlichen parallel zu der Antriebswelle 3 derart angeordnet, dass sie sich in Richtung der Zylinderreihe erstreckt. Der Steuernocken 14 ist fest mit der Steuerwelle 13 derart verbunden, dass die Achse des Steuernockens gegenüber der Achse der Steuerwelle exzentrisch liegt, und dass sich die Steuerwelle zusammen mit dem Steuernocken dreht. Der Kipphebel 15 ist auf den Außenumfang des Steuernockens 14 derart aufgepasst, dass er gegenüber dem Steuernocken 14 drehbar ist. Ein Ende des Kipphebels 15 ist mit einem vorderen Ende des ersten Verbindungsgliedes 12 verbunden oder durch einen Stift verbunden, um so gegenüber dem ersten Verbindungsglied drehbar zu sein. Das zweite Verbindungsglied 16 verbindet den Kipphebel 15 mechanisch mit dem schwenkbaren Nocken 4 darüber. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Ende des zweiten Verbindungsgliedes drehbar mit dem anderen Ende des Kipphebels 15 verbunden oder durch einen Stift verbunden ist, wohingegen das andere Ende des zweiten Verbindungsgliedes 16 mit dem vorderen Ende des schwenkbaren Nockens 4 drehbar verbunden oder durch einen Stift verbunden ist. Ein Stummelabschnitt der Antriebswelle 3 und ein Steuerabschnitt der Steuerwelle 13 werden auf dem Zylinderkopf mittels einer Stummeltragestütze (nicht gezeigt) und eines Anbringungsbolzens (nicht gezeigt) drehbar getragen. Die Ausgangsseite des Arbeitswinkelsteuerstellgliedes 30 ist mit dem einen Ende einer Steuerwelle 13 verbunden, um die Steuerwelle 13 in eine gewünschte Winkelposition innerhalb eines vorgegebenen steuerbaren Winkelbereiches bringen zu können, und um die Steuerwelle 13 in der gewünschten Winkelphase zu halten. Bei der vorstehend aufgeführten Anordnung führt, sobald sich die Antriebswelle 3 synchron zur Drehung der Motorkurbelwelle dreht, eine Drehbewegung der Mitte (oder Achse) des exzentrischen Nockens 11 in Bezug auf die Mitte (oder Achse) der Antriebswelle 3 zu einer Translationsbewegung des ersten Verbindungsgliedes 12. In Reaktion auf die Translationsbewegung des ersten Verbindungsgliedes 12 oszilliert beziehungsweise kippt der Kipphebel 15 um die Mitte des Steuernockens 14. Dies bedeutet, dass die Mitte des Steuernockens 14 als Mitte der oszillierenden Bewegung des Kipphebels 15 dient. Analog oszilliert beziehungsweise kippt der schwenkbare Nocken 4 durch das zweite Verbindungsglied 16. Zu diesem Zeitpunkt ist die Nockenfläche des schwenkbaren Nockens 4 in Gleitkontakt mit der Oberfläche des Ventilstößels 2, der an dem vorderen Ende (Ventilstammende) des Einlassventils 1 angeordnet ist und als Kraftübertragungselement dient, weshalb das Einlassventil in der Lage ist, sich synchron mit der Drehung der Motorkurbelwelle zu öffnen und zu schließen, indem sich der Ventilstößel mit Hilfe der Vorbelastung der Ventilfeder (nicht gezeigt) oder gegen die Wirkung derselben nach oben oder unten bewegt. Dies bedeutet insbesondere, dass das erste Verbindungsglied 12, der Kipphebel 15 und das zweite Verbindungsglied 16 derart zusammenwirken, dass ein Energieübertragungsmechanismus gegeben ist, über den der Antriebsnocken 11 und der schwenkbare Nocken 4 mechanisch miteinander verbunden sind.
  • Dem steht gegenüber, dass sich, wenn die Antriebswelle 13 auf Basis der Motorbetriebsbedingungen mittels des Arbeitswinkelsteuerstellgliedes 30 in eine gewünschte Winkelposition gedreht oder gebracht wird, die Mitte des Steuernockens 14, das heißt die Mitte der oszillierenden Bewegung des Kipphebels 15, relativ zu der Mitte der Steuerwelle 13 verschiebt oder dreht. Aus diesem Grunde ändert sich die Stellung sowohl des ersten wie auch des zweiten Verbindungsgliedes, weshalb sich auch der Winkelbe reich der oszillierenden Bewegung des schwenkbaren Nockens 4 ändert. Als Folge ändern sich der Arbeitswinkel und der Ventilhub des Einlassventils 1 stetig, während die Winkelphase des Mittenwinkels des Arbeitswinkels im Wesentlichen konstant bleibt. Bei dem veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 gemäß 1 sind die Gleitkontaktabschnitte zwischen dem Antriebsnocken 11 und dem ringförmigen Verbindungsglied (ersten Verbindungsglied) 12 in Wandkontakt zueinander. Darüber hinaus sind die Gleitkontaktabschnitte zwischen dem Steuernocken 14 und dem Kipphebel 15 in Wandkontakt zueinander. Ein derartiger Wandkontakt vereinfacht die Schmierung, wodurch die Verlässlichkeit und Haltbarkeit des Systems gesteigert wird, und wodurch darüber hinaus der Reibungswiderstand der Gleitabschnitte während der Steuerung des Arbeitswinkels verringert wird. Zusätzlich sind die schwenkbaren Nocken (4, 4) des Einlassventils 1 koaxial in Bezug auf die Antriebswelle 3 angeordnet. Die koaxiale Anordnung der schwenkbaren Nocken gewährleistet eine hohe Genauigkeit der Steuerung des Arbeitswinkels, wobei das System selbst (insbesondere das veränderliche Arbeitswinkelsteuersystem) raumsparend gebaut werden kann. Dies stellt einen einfachen Aufbau des Arbeitswinkelsteuersystems des Fahrzeuges sicher und verringert die Anzahl der Bauteile des Systems.
  • In 2 ist die Anordnung der Systemkomponenten des veränderlichen Arbeitswinkelsteuersystems des Ausführungsbeispieles gezeigt. Wie aus dem Strukturaufbau des Arbeitswinkelsteuerstellgliedes 30, wie er in der rechten Hälfte von 2 gezeigt ist, abgeleitet werden kann, ist der Innenraum des im Wesentlichen zylinderförmigen Körpers des Stellgliedes 30 über einen Druckaufnahmeabschnitt 32a eines Kolbens 32 in eine erste hydraulische Druckkammer 33 und eine zweite hydraulische Druckkammer 34 unterteilt. Ein Stift 32b ist fest mit dem freien Ende der Kolbenstange des Kolbens 32 derart verbunden, dass er senkrecht zu der Achse der Kolbenstange verläuft. Eine Scheibe 17 ist fest an dem einen Ende einer Welle 13 angeordnet. Die Scheibe 17 ist mit einer sich radial erstreckenden geschützten Nut 17a versehen. Der Stift 32b ist gleitend in die radiale Nut 17a eingepasst. Es ist ersichtlich, dass sich der Kolben 32 in Reaktion auf den Zuführdruck an der ersten hydraulischen Druckkammer 33 und den Zuführdruck an der zweiten hydraulischen Kammer 34 vorwärts und rückwärts bewegen kann. Wie vorstehend erläutert, kann der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 durch eine Drehung der Steuerwelle 14 mittels des Stiftes 32b und der Scheibe 17 verändert werden. Dies bedeutet insbesondere, dass der Zuführdruck an der hydraulischen Kammer 33 wie auch an der hydraulischen Kammer 34 in Abhängigkeit von der axialen Position einer Spule 35 des Magnetventils 31 verändert werden kann. Die axiale Position (oder Kraftbewegung) der Spule des Magnetventils 31 kann mittels einer pulsbreitenmodulierten Steuerung (Arbeitszyklensteuerung) auf Basis eines Arbeitszyklus eines pulsbreitenmodulierten Signals (Ausgabesignals), das in der Motorsteuereinheit 50 erzeugt wird, verändert werden. Um die axiale Position der Spule des Magnetventils 31 zu verändern, ändert die Steuereinheit das Arbeitsverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen. In einem Zustand, in dem sich die Spule 35 in der am weitesten rechts liegenden Position befindet (siehe 2), ist ein erster Öldurchlass 36, der mit der ersten hydraulischen Druckkammer 33 in Verbindung steht, mit der Auslassöffnung der Ölpumpe 9 verbunden, weshalb der Auslassdruck aus der Pumpe 9 der ersten hydraulischen Druckkammer 33 zugeführt wird. Gleichzeitig steht eine zweiter Öldurchlass 37, der mit der zweiten hydraulischen Druckkammer 34 in Verbindung steht, mit einem Ablaufdurchlass 38 in Verbindung, wodurch das Arbeitsfluid in der zweiten hydraulischen Druckkammer 34 abgelassen wird. Als Ergebnis bewegt sich der Kolben 32 des Arbeitswinkelsteuerstellgliedes 30 nach rechts (siehe 2). Im Umkehrfall, wenn sich die Spule 35 in der am weitesten links liegenden Position befindet, steht der erste Öldurchlass 36 mit dem Ablaufdurchlass 38 in Verbindung, während der zweite Öldurchlass 37 mit der Auslassöffnung der Ölpumpe 9 in Verbindung steht. In diesem Fall wird das Arbeitsfluid in der ersten hydraulischen Druckkammer 33 abgelassen, während gleichzeitig der Auslassdruck der Ölpumpe 9 der zweiten hydraulischen Druckkammer 34 zugeführt wird. Als Ergebnis bewegt sich der Kolben 32 nach rechts (siehe 2). In einem Zustand, in dem sich die Spule 35 in der Mitte zwischen der am weitesten rechts liegenden Position und der am weitesten links liegenden Position befindet, werden die Öffnung des ersten Öldurchlasses 36 und die Öffnung des zweiten Öldurchlasses 37 mittels der Stege der Spule 35 verschlossen. Aus diesem Grunde wird das Stellglied 30 in einem Druckhaltebetriebszustand gehalten, in dem sich der hydraulische Druck in der ersten hydraulischen Druckkammer 33 und der hydraulische Druck in der zweiten hydraulischen Druckkammer 34 nicht ändern. In diesem Fall bleibt die axiale Position der Kolbenstange 32 konstant. Analog ist es möglich, den Arbeitswinkel des Einlassventils 1 entsprechend dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals aus der ECU zu einem gewünschten Arbeitswinkel zu ändern oder ihn in einem solchen zu halten, indem die axiale Position der Kolbenstange 32 des Stellgliedes 30 geeignet nach rechts oder links verschoben wird oder unverändert bleibt. Wie vorste hend ausgeführt, weisen der Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 und dessen Stellglied 30 einen einfachen Aufbau auf und lassen dennoch größere Freiheiten mit Blick auf die veränderliche Arbeitswinkelsteuerung zu. Wie in der linksseitigen Hälfte von 2 deutlich gezeigt ist, empfängt die Steuereinheit 50 eine Eingabeinformation, das heißt Betriebsbedingungen, die von Motor-/Fahrzeugsensoren 51 gemessen oder auf Grundlage von Signalen der Sensoren, so beispielsweise über Motorgeschwindigkeit, Motorlast, Motortemperatur (Motorkühlmitteltemperatur oder Wassertemperatur) und Motorgeschwindigkeit, abgeschätzt wurden. In Abhängigkeit von den gemessenen oder geschätzten Betriebsbedingungen nimmt die ECU 50 die Arbeitswinkelsteuerung über den veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 und das Arbeitswinkelsteuerstellglied 30 vor, und nimmt die Phasensteuerung mittels des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 und des Phasensteuerstellgliedes 40 vor. Zusätzlich zu dem vorstehend Aufgeführten ist die Ausgabeseite der ECU 50 mit verschiedenen gesteuerten Systemen 52 verbunden. So ist beispielsweise zum Zwecke der Grundsteuerung des Motors die Ausgabeschnittstelle der ECU 50 mit einem elektronischen Zündsystem und einem elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem verbunden. Die ECU 50 geht darüber hinaus gegebenenfalls in einen Ausfallvorbeugesteuerbetriebszustand über. Darüber hinaus setzt bei vorübergehenden Betriebsbedingungen, so beispielsweise während des Anlassens oder Anlaufens, oder wenn eine Beschleunigungsanreicherung erforderlich ist, die ECU 50 einen vorübergehenden Ausgleichsbetriebszustand zur vorübergehenden Verbesserung der Systemreaktion ein.
  • Der genaue Aufbau des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Eine Nockenzahnscheibe (oder eine Nockenriemenscheibe) 6 ist koaxial am Außenumfang des vorderen Endes der Antriebswelle 3 angeordnet. Die Nockenzahnscheibe wird von der Kurbelwelle mittels einer Kette oder eines Riemens angetrieben. Dies bedeutet, dass sich die Nockenzahnscheibe synchron zur Drehung der Nockenscheibe dreht. Der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 umfasst einen äußeren zylinderförmigen Abschnitt 21, einen inneren zylinderförmigen Abschnitt 23 sowie einen axial beweglichen ringförmigen Kolben 42. Der äußere zylinderförmige Abschnitt 21 ist integral mit dem Innenumfang der Nockenzahnscheibe 6 ausgebildet. Der innere zylinderförmige Abschnitt 23 ist fest mit dem einen Ende der Antriebswelle 3 mittels eines zylinderförmigen Hohlbolzens 22 derart verbunden, dass der innere zylinderförmige Abschnitt 23 koaxial zu der Antriebswelle liegt und sich zusammen mit dieser dreht. Der ringförmige Kolben 42 ist zwischen dem äußeren zylinderförmigen Abschnitt 21 und dem inneren zylinderförmigen Abschnitt 23 derart eingepasst, dass sich der ringförmige Kolben axial bewegen kann. Die innere Randwandfläche des Kolbens 42 ist in Form eines Schraubenkeiles vom Nabentyp oder in Form eines Stirnradgetriebes vom Innenverzahnungstyp ausgebildet. Die äußere Randwandfläche des inneren zylinderförmigen Abschnittes 23 ist als Schraubenkeil vom Wellentyp oder als Stirnradgetriebe vom Außenverzahnungstyp ausgebildet. Das Stirnradgetriebe vom Innenverzahnungstyp des Kolbens 42 steht in Eingriff mit dem Stirnradgetriebe vom Außenverzahnungstyp des inneren zylinderförmigen Abschnitts 23. Demgegenüber ist die äußere Randwandfläche des Kolbens 42 als Schraubenkeil vom Wellentyp oder als Stirnradgetriebe vom Außenverzahnungstyp ausgebildet. Die innere Randwandfläche des äußeren zylinderförmigen Abschnittes 21 ist als Schraubenkeil vom Nabentyp oder als Stirnradgetriebe vom Innenverzahnungstyp ausgebildet. Das Stirnradgetriebe vom Außenverzahnungstyp des Kolbens 42 steht in Kämmeingriff mit dem Stirnradgetriebe vom Innenverzahnungstyp des äußeren zylinderförmigen Abschnittes 21. Die inneren und äußeren zylinderförmigen Abschnitte 23 und 21 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Mittels zweier spiralförmiger Kämmpaare (25, 25) wird die axiale Bewegung des Kolbens 42 in dem zwischen dem inneren zylinderförmigen Abschnitt 23 und dem äußeren zylinderförmigen Abstand 21 festgelegten Innenraum in eine relative Drehbewegung zwischen dem inneren zylinderförmigen Abschnitt 23 und dem äußeren zylinderförmigen Abschnitt 21 umgewandelt. Die Schraubenkeile (25, 25) wirken als Umwandler der axialen Bewegung in eine zugehörige Drehbewegung. Die relative Winkelphase des inneren zylinderförmigen Abschnittes 23 gegenüber dem äußeren zylinderförmigen Abschnitt 21 kann in Abhängigkeit von der axialen Position des Kolbens 42 stetig verändert werden. Dies bedeutet, dass die relative Winkelphase der Antriebswelle 3 gegenüber der Nockenzahnscheibe 6 stetig durch Änderung der axialen Position des Kolbens 42 geändert werden kann. Im Ergebnis ist es möglich, die Phase an dem Mittenwinkel des Arbeitswinkels des Einlassventils 10, während der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 konstant bleibt, stetig dadurch zu ändern, dass der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 eingesetzt wird. Der Kolben 42 wird in Reaktion auf den Zuführdruck an der ersten hydraulischen Druckkammer 43 und dem Zuführdruck an der zweiten hydraulischen Druckkammer 44 axial verschoben. Somit weist das Phasensteuerstellglied als Hauptbestandteile den inneren zylinderförmigen Abschnitt 23, den äußeren zylinderförmigen Abschnitt 21 und den Kolben 42 auf. Wie aus dem vorstehend Ausge führten deutlich wird, kann das veränderliche Phasensteuersystem (insbesondere der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 und das Phasensteuerstellglied 40) raumsparend gebaut werden, wodurch die Einfachheit des Einbaus des Phasensteuersystems in ein Fahrzeug gewährleistet ist, und die Anzahl der für dieses System notwendigen Bauteile verringert wird. Auch in dem Fall, in dem das vorstehend erläuterte veränderliche Arbeitswinkelsteuersystem mit dem veränderlichen Phasensteuersystem kombiniert wird, ist es möglich, die Einfachheit des Einbaus sowohl des Arbeitswinkelsteuersystems wie auch des Phasensteuersystems in das Fahrzeug zu gewährleisten, und die Einfachheit des Systemaufbaus sicherzustellen. Dies bedeutet insbesondere, dass der Zuführdruck an der hydraulischen Druckkammer 43 und der hydraulischen Druckkammer 44 in Abhängigkeit von der axialen Position der Spule 45 des Magnetventils 41 verändert werden kann. Die axiale Position (oder Kraftbewegung) der Spule des Magnetventils 41 kann mittels der pulsbreitenmodulierten Steuerung (Arbeitszyklensteuerung) auf Basis eines Arbeitszyklus eines pulsbreitenmodulierten Signals (Ausgabesignals), das von der Motorsteuereinheit 50 erzeugt wird, gesteuert werden. Um die axiale Position der Spule des Magnetventils 41 zu ändern, verändert die Steuereinheit das Arbeitsverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen. In einem Zustand, in dem sich die Spule 45 in der am weitesten links liegenden Position befindet (siehe 3), ist ein erster Öldurchlass 46, der mit der ersten hydraulischen Druckkammer 43 in Verbindung steht, mit der Auslassöffnung der Ölpumpe 9 verbunden, weshalb der Auslassdruck aus der Pumpe 9 der ersten hydraulischen Druckkammer 43 zugeführt wird. Gleichzeitig steht eine zweiter Öldurchlass 47, der mit der zweiten hydraulischen Druckkammer 44 in Verbindung steht, mit einem Ablaufdurchlass 48 in Verbindung, wodurch das Arbeitsfluid in der zweiten hydraulischen Druckkammer 44 abgelassen wird. Als Ergebnis bewegt sich der Kolben 42 des Arbeitswinkelsteuerstellgliedes 40 nach links (siehe 3). Im Umkehrfall, wenn sich die Spule 45 in der am weitesten rechts liegenden Position befindet, steht der erste Öldurchlass 46 mit dem Ablaufdurchlass 48 in Verbindung, während der zweite Öldurchlass 47 mit der Auslassöffnung der Ölpumpe 9 in Verbindung steht. In diesem Fall wird das Arbeitsfluid in der ersten hydraulischen Druckkammer 43 abgelassen, während gleichzeitig der Auslassdruck der Ölpumpe 9 der zweiten hydraulischen Druckkammer 44 zugeführt wird. Als Ergebnis bewegt sich der Kolben 42 nach rechts (siehe 3). In einem Zustand, in dem sich die Spule 45 in der Mitte zwischen der am weitesten rechts liegenden Position und der am weitesten links liegenden Position befindet, wer den die Öffnung des ersten Öldurchlasses 46 und die Öffnung des zweiten Öldurchlasses 47 mittels der Stege der Spule 45 verschlossen. Infolgedessen wird das Stellglied 40 in einem Druckhaltebetriebszustand gehalten, in dem sich der hydraulische Druck in der ersten hydraulischen Druckkammer 43 und der hydraulische Druck in der zweiten hydraulischen Druckkammer 44 nicht ändern. In diesem Fall bleibt die axiale Position der Kolbenstange 42 konstant. Dadurch wird es möglich, die Phase des Arbeitswinkels des Einlassventils 1 entsprechend dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals aus der ECU zu einer gewünschten Phase zu ändern oder sie in einer solchen zu halten, indem die axiale Position der Kolbenstange 42 des Stellgliedes 40 geeignet nach rechts oder links verschoben wird oder unverändert bleibt. Wie vorstehend ausgeführt, weisen der Phasensteuermechanismus 20 und dessen Stellglied 40 einen einfachen Aufbau auf und lassen dennoch größere Freiheiten mit Blick auf die veränderliche Phasensteuerung zu.
  • Nachstehend wird die steuernde Wirkung, die das veränderliche Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles entfaltet, detailliert unter Bezugnahme auf 4 bis 9 beschrieben.
  • 4 zeigt ein Beispiel eines Kennwertediagramms eines vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereiches (Steuerbereiches oder Betriebsbereiches), wobei das Diagramm bei dem veränderlichen Arbeitswinkel-/Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt. In 4 zeigt die Abszisse (x-Achse) die Einlassventilöffnungszeit (IVO) des Einlassventils 1, wohingegen die Ordinate (y-Achse) die Einlassventilverschlusszeit (IVC) des Einlassventils 1 zeigt. Der schattierte Parallelogrammbereich von 4 bis 6 entspricht dem vorgegebenen oder vorprogrammierten IVO-IVC-Regulierbereich F1, in dem die Werte von IVO und IVC des Einlassventils 1 veränderlich gesteuert oder eingestellt werden können. Unter vorprogrammiertem IVO-IVC-Regulierbereich F1 ist ein IVO-IVC-Regulierbereich gemeint, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids größer oder gleich einem vorgegebenen Temperaturwert ist, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Motor nach seinem Warmlaufen vollständig erwärmt und mithin warm ist. Die Pfeile Y1 von 4 zeigen die Richtung der Veränderung des Arbeitswinkels (das heißt die Zunahme des Arbeitswinkels) des Einlassventils 1 an, die durch den veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 bewirkt wird. Die Pfeile Y2 von 4 zeigen die Rich tung der Phasenänderung (das heißt das Vorverlegen der Phase) des Einlassventils 1 an, das durch den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 bewirkt wird. Die Kreisgraphen von 4, 5 und 6 stellen schematisch die Werte von IVO und IVC des Einlassventils 1 in verschiedenen Phasen der veränderlichen Arbeitswinkel-/Phasensteuerung dar, so beispielsweise einen Anfangszustand P1 der veränderlichen Arbeitswinkel-/Phasensteuerung, einen maximalen Ausgabezustand Q1 und dergleichen. Wie in 4 und 5 gezeigt ist, wird bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispiels der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 in seiner anfänglich eingestellten Position gehalten, die einem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel L1 entspricht, wenn der Motor angehalten wird, und daher keine Ausgabesignale der ECU an die Magnetventile 31 und 41 gesendet werden. Analog wird der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 in seiner anfänglich festgesetzten Position gehalten, die einer vorgegebenen maximal verzögerten Phase L2 entspricht, wenn der Motor angehalten wird, und daher keine Ausgabesignale der ECU an die Magnetventile 31 und 41 gesendet werden. Mit anderen Worten, in dem Anfangszustand P1, in dem der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 und der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 beide nicht wirken, werden die Steuermechanismen 10 und 20 in ihren anfänglich festgesetzten Positionen gehalten, die jeweils einem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel L1 und einer vorgegebenen maximal verzögerten Phase L2 entsprechen. Dies bedeutet, dass der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 ausgehend von dem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel L1 (der sich für den Anfangszustand P1 ergibt) hin zu dem gewünschten Arbeitswinkel, der auf Basis eines Arbeitszyklus eines pulsbreitenmodulierten Signals aus der ECU 50 (angedeutet durch den Pfeil Y1) bestimmt wird, dadurch verändert oder vergrößert wird, dass das veränderliche Arbeitswinkelsteuersystem arbeitet. Wie aus den drei Kreisgraphen mit Ausnahme des am weitesten rechts liegenden Kreisgraphen von 4 ersichtlich ist, steigt der Sektorwinkel jedes der drei Kreisgraphen, wenn sich die gesteuerte Variable der Arbeitswinkelsteuerung in die durch den Pfeil Y1 bezeichnete Richtung entwickelt. Dem steht gegenüber, dass die Phase des Einlassventils 1 ausgehend von der vorgegebenen maximal verzögerten Phase L2 hin zu der gewünschten Phase, die auf Basis eines Arbeitszyklus eines pulsbreitenmodulierten Signals aus der ECU 50 (angedeutet durch den Pfeil Y2) bestimmt wird, dadurch verändert oder vorverlegt werden kann, dass der veränderliche Phasensteuermechanismus arbeitet. Wie aus den beiden am weitesten rechts liegenden Kreisgraphen mit dem am weitesten rechts liegenden Kreisgraphen von 4 ersichtlich ist, bleibt der Sektorwinkel jedes der drei Kreisgraphen unverändert, und lediglich die Phase des Arbeitswinkels (genauer die Phase an dem Mittenwinkel des Arbeitswinkels) verändert sich hin zu dem maximal vorverlegten Punkt oder wird dorthin vorverlegt, wenn sich die gesteuerte Variable der Phasensteuerung in die durch den Pfeil Y2 angedeutete Richtung entwickelt. Durch Kombination der veränderlichen Arbeitswinkelsteuerung, die durch den Steuermechanismus 10 verwirklicht ist, und der veränderlichen Phasensteuerung, die durch den Steuermechanismus 20 verwirklicht ist, wird es möglich, die Einlassventilöffnungszeit (IVO) und die Einlassventilverschlusszeit (IVC) des Einlassventils 1 auf einen gewünschten Wert von IVO und IVC einzustellen, der jeweils innerhalb des Regulierbereiches F1 liegt, der auf den Warmmotorzustand (vollständig erwärmten Zustand) abgestimmt ist. Der vorprogrammierte IVO-IVC-Regulierbereich F1, der auf den Warmmotorzustand (Warmmotorbetrieb) abgestimmt ist, wird nachstehend als „Warmmotorregulierbereich F1" bezeichnet. Die Temperatur des Arbeitsfluids wird mittels einer (nicht gezeigten) Temperaturmesseinrichtung erfasst oder abgeschätzt. So kann die Temperatur des Arbeitsfluids beispielsweise direkt mittels eines Öltemperatursensors erfasst werden. Anstelle dessen kann die Temperatur des Arbeitsfluids auch direkt auf Basis eines Wertes der Motortemperatur (Motorkühlmitteltemperatur) abgeschätzt werden, der von einem Motortemperatursensor (Motorkühlmitteltemperatursensor) gemessen wird. Wie aus dem vorprogrammierten Kennwertediagramm von 4 und 5 ersichtlich ist, können während des Warmmotorbetriebs die beiden Werte IVO und IVC des Einlassventils 1 effektiv innerhalb des vorgegebenen Warmmotorregulierbereiches F1 verändert werden, wodurch der Pumpverlust verringert und die Kraftstoffausnutzung bedingt durch den wirksam reduzierten Arbeitswinkel verbessert wird. 6 zeigt die konkrete Festlegung der Werte IVO und IVC des Einlassventils 1 bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten und Lastbedingungen im Warmmotorzustand. Im Bereich einer sehr niedrigen Motorgeschwindigkeit und einer sehr geringen Last ist wünschenswert, dass der Reibungsverlust über den verringerten Arbeitswinkel verringert wird, und dass zusätzlich die Verbrennungsstabilität (Kraftstoffausnutzung) bedingt durch eine negative Ventilüberdeckung verbessert wird. Im Allgemeinen besteht im Bereich einer sehr niedrigen Motorgeschwindigkeit und einer sehr geringen Last (beispielsweise im Leerlauf) die Neigung, dass die Ladeeffizienz entsprechend einem Anstieg der Motorlast steigt, und dass damit das Verdichtungsverhältnis bedingt durch den Anstieg der Motorlast zunimmt. Aus vorstehend aufgeführten Gründen ist es wünschenswert, die Einlassventilverschlusszeit (IVC) des Einlassventils 1 in Abhängigkeit von der Motorlast vorzuverlegen. In diesem Fall ergibt sich unter der Annahme, dass die Einlassventilöffnungszeit (IVO) übermäßig vorverlegt wird, was mit einer geeigneten Vorverlegung der Einlassventilverschlusszeit (IVC) einhergeht, ein unerwünschtes Ansteigen der Ventilüberdeckung (das heißt ein unerwünschtes Ansteigen des inneren EGR-Effektes). Dies senkt die Verbrennungsstabilität. Daher wird, wie in 6 gezeigt, die Einlassventilöffnungszeit, die auf den Bereich einer sehr geringen Motorgeschwindigkeit und einer sehr geringen Last abgestimmt ist, auf die zeitverzögerte Seite beschränkt, was im Gegensatz zum Bereich der niedrigen Motorgeschwindigkeit und der geringen Last steht.
  • Im Bereich einer niedrigen Motorgeschwindigkeit und einer geringen Last neigt die Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Bereich der sehr niedrigen Geschwindigkeit und der sehr geringen Last zum Ansteigen. Aus diesem Grunde kann die veränderlich eingestellte Einlassventilverschlusszeit zu der zeitlich vorverlegten Seite hin verschoben werden. Analog werden die Beschränkungen hinsichtlich der Einlassventilöffnungszeit gelockert (siehe die Kennwertekurven bei 1200 UpM, 1600 UpM und 2000 UpM in 6). Im Bereich der niedrigen Geschwindigkeit und der geringen Last können die Beschränkungen hinsichtlich der Ventilöffnungszeiten weiter gelockert werden, was dadurch bedingt ist, dass die Motorgeschwindigkeit und die Motorlast geringfügig im Vergleich zum Bereich der sehr niedrigen Geschwindigkeit und der sehr geringen Last ansteigen. Daher ist es möglich, die Einlassventilöffnungszeit (IVO) auf einen gewünschten Kurbelwinkel (in Entsprechung zu der Zeit, zu der die Vorverlegung in einem gewissen Ausmaß fortgeschritten ist) nach dem oberen Totpunkt (top dead center TDC) einzustellen. Im Vergleich zu demjenigen Fall, in dem die Einlassventilöffnungszeit (IVO) auf eine bestimmte Zeit nahe des TDC eingestellt ist, wird es damit bei dem System des ersten Ausführungsbeispieles gemäß 4 bis 6 möglich, sowohl die Wirkung der Verringerung des Pumpverlustes wie auch die Wirkung der Verringerung des Kühlverlustes bedingt durch einen geeignet vergrößerten EGR-Effekt im Bereich der niedrigen Geschwindigkeit und der geringen Last zu steigern, wodurch eine Verbesserung der Kraftstoffausnutzung bewirkt wird. Bedingt durch die verbesserte Verbrennungsstabilität in dem Bereich der niedrigen Geschwindigkeit und der geringen Last wird es möglich, eine vorgegebene geeignet gesteigerte Ventilüberdeckung einzusetzen, und damit die Kraftstoffausnutzung sehr wirkungsvoll zu verbessern.
  • Dem steht gegenüber, dass im Kaltmotorbetrieb (oder im Kaltmotorzustand) die Temperatur des Arbeitsfluids niedriger ist, weshalb der Viskositätskoeffizient hoch ist. Beim Schalten des Magnetventils 31 des veränderlichen Arbeitswinkelsteuersystems 10 zwischen den Zuständen EIN und AUS, oder beim Schalten des Magnetventils 41 des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 zwischen den Zuständen EIN und AUS, insbesondere beim Schalten des Magnetventils in den AUS-Zustand, verhindert der hohe Viskositätskoeffizient des Arbeitsfluids, dass das Arbeitsfluid schnell abläuft, und verhindert so einen glatten Schaltvorgang des Magnetventils in den AUS-Zustand. Bedingt durch den hohen Viskositätskoeffizienten des Arbeitsfluids verschlechtert sich die Reaktion der veränderlichen Arbeitswinkelsteuerung 50. Es wird nunmehr angenommen, dass die auf den Warmmotorbetrieb abgestimmte veränderliche IVO-IVC-Steuerung, wie in 6 gezeigt, im Kaltmotorbetrieb arbeitet. In diesem Fall, insbesondere während einer Verlangsamung, während der sich die Motorbetriebsbedingungen ausgehend von einem Betriebsbereich, der die Ventilüberdeckung (abgekürzt als O/L) positiv benutzt, hin zu einem Motorleerlaufzustand mit vergleichsweise niedriger Verbrennungsstabilität verändern, mit anderen Worten, wenn die Einlassventilöffnungszeit (IVO) in die zeitlich verzögerte Richtung zu verschieben ist, wird es schwierig, die Verschiebung hin zu der zeitlich verzögerten Seite schnell vorzunehmen, was durch mechanische Reaktionsverzögerung bedingt ist, die wiederum von dem hohen Viskositätskoeffizienten des Arbeitsfluids herrührt. Als Ergebnis kann die Ventilüberdeckung nicht glatt und schnell verringert werden. Dies senkt die Verbrennungsstabilität. Aus diesem Grund ist bei dem System des ersten Ausführungsbeispiels während des Kaltmotorbetriebes zu dem Zweck, eine übermäßig ansteigende Ventilüberdeckung (O/L) (ersichtlich aus dem Kennwertediagramm von 5) zu vermeiden, ein IVO-IVC-Regulierbereich G1, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist (nachstehend als Kaltmotorregulierbereich bezeichnet), vorgesehen. Der Kaltmotorregulierbereich G1 ist im Vergleich zu dem vorgegebenen Warmmotorregulierbereich F1 stark eingeschränkt, sodass wenigstens der IVO-Wert des Einlassventils 1 im Vergleich zu einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α1 bedingt durch Restgas verzögert wird. Mit anderen Worten, die maximal vorverlegte Einlassventilöffnungszeit IVO wird im Kaltmotorbetrieb auf eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α1 bei kaltem Motor eingestellt. Bedingt durch den geeignet eingeschränkten Kaltmotorregulierbereich G1 kann die Ventilüberdeckung (O/L) im Kaltmotorbetrieb unterhalb einer vorgegebenen Ventilüberdeckungszeit gehalten werden. Sogar im Kaltmotorbetrieb, in dem der Schaltbetrieb des verän derlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 dazu neigt, sich bedingt durch den hohen Viskositätskoeffizienten des Arbeitsfluids zu verzögern, besteht nicht das Risiko einer Absenkung der Verbrennungsgüte, was durch die geeignet gesteuerte Ventilüberdeckung bedingt ist. Dies bedeutet insbesondere, dass während des Kaltmotorbetriebs die veränderliche Phasensteuerung angehalten wird, womit einhergeht, dass das Phasensteuerstellglied 40 in den inoperativen Zustand versetzt wird. So wird der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 bei einer vorgegebenen maximal verzögerten Phase L2 gehalten. Im Kaltmotorbetrieb wird der IVO-IVC-Regulierbereich auf einen vorgegebenen Kaltmotorregulierbereich eingeschränkt, weshalb keine Möglichkeit gegeben ist, dass die Einlassventilöffnungszeit IVO ausgehend von der Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α1 weiter vorverlegt wird. Dies bedeutet, dass der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 innerhalb eines vorgegebenen Kaltmotorregulierbereiches G1 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors mittels des veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 geeignet veränderlich gesteuert werden kann. Auf diese Weise werden im Kaltmotorbetrieb die Werte von IVO und IVC des Einlassventils 1 veränderlich in Entsprechung zu den IVO-IVC-Kennwerten gesteuert, die sich von denjenigen, die im Warmmotorbetrieb verwendet werden, unterscheiden, weshalb es möglich wird, ein ausreichend hohes Ausgangsmotordrehmoment auch bei Vorhandensein gesteigerter Anforderungen an das Moment sicherzustellen. Wie vorstehend ausgeführt, kann das System des ersten Ausführungsbeispiels verhindern, dass die Ventilüberdeckung in unerwünschtem Maße ansteigt, und die Verbrennungsstabilität sinkt, wodurch wiederum eine verbesserte Beschleunigungsleistung sogar im Kaltmotorbetrieb gewährleistet ist. Zusätzlich zu dem oben Ausgeführten ist in dem Anfangszustand P1, in dem der Motor steht, der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 derart ausgelegt, dass er seine maximal verzögerte Phase L2 beibehält. Daher besteht im Kaltmotorbetrieb nicht die Notwendigkeit, den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 auf eine maximal verzögerte Phase L2 zu schalten. Dies verbessert ebenfalls die Verbrennungsstabilität während des Anlaufens des kalten Motors.
  • In 7 ist eine veränderliche Arbeitswinkel- und Phasensteuerroutine gezeigt, die von der ECU 50 ausgeführt wird, die wiederum in dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des ersten Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommt.
  • Bei dem Schritt S100 werden die Motorkühlmitteltemperatur Tw (genauer gesagt die aktuelle Motorbetriebstemperatur) und die Öltemperatur Toil des Arbeitsfluids eingelesen. Bei dem Schritt S101 werden die Motorgeschwindigkeit und die Motorlast eingelesen. Bei dem Schritt S102 wird eine Prüfung vorgenommen, bei der festgestellt wird, ob die Öltemperatur Toil des Arbeitsfluids geringer als eine vorgegebene Bezugsöltemperatur T1 ist. Für den Fall, dass die Öltemperatur Toil geringer als die Bezugstemperatur T1 ist, dass heißt für den Fall Toil < T1, erkennt die ECU, dass der Motor kalt ist. Im umgekehrten Fall, wenn die Öltemperatur Toil größer oder gleich dem Bezugstemperaturwert T1 ist, das heißt für den Fall Toil ≥ T1, erkennt die ECU, dass der Motor warm ist. Dies bedeutet, dass bei dem Schritt S102 in Abhängigkeit von der erfassten Öltemperatur Toil festgelegt oder ermittelt wird, dass sich der Motor entweder im Kaltmotorzustand oder im Warmmotorzustand befindet. Um zu erkennen, ob der Motor kalt oder warm ist, kann anstelle eines Vergleiches zwischen der Öltemperatur Toil und dem Bezugstemperaturwert T1, die Feststellung auch durch einen Vergleich zwischen der Motorkühlmitteltemperatur Tw und einem zugehörigen vorgegebenen Bezugstemperaturwert vorgenommen werden. Ist die Antwort bei dem Schritt S102 positiv (ja), das heißt gilt Toil < T1 (im Kaltmotorbetrieb), so geht die Routine zu dem Schritt S103 über. Bei dem Schritt S103 wird die veränderliche Phasensteuerung angehalten, wodurch der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 in eine festgesetzte Position (das heißt die maximal verzögerte Phase L2) verschoben und dort gehalten wird. Anschließend wird bei dem Schritt S104 ein geeigneter Arbeitswinkel, der auf den Kaltmotorzustand abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Kaltmotorarbeitswinkelsteuerung MAP B ausgelesen (siehe 9), in dem dargestellt ist, wie sich der gewünschte Arbeitswinkel gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Kaltmotorbetrieb ändern muss. Nach dem Schritt S104 geht die Routine zu dem Schritt S107 über. Was den Schritt S102 angeht, so geht, wenn die Antwort bei dem Schritt S102 negativ (nein) ist, das heißt wenn Toil ≥ T1 gilt (im Kaltmotorbetrieb), die Routine von dem Schritt S102 zu dem Schritt S105 über. Bei dem Schritt S105 wird ein gewünschter Arbeitswinkel, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Warmmotorarbeitswinkelsteuerung MAP A ausgelesen (siehe 8A), in dem dargestellt ist, wie sich der gewünschte Arbeitswinkel gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Warmmotorbetrieb verändern muss. Im Anschluss an den Schritt S105 erfolgt die Ausführung des Schrittes S106. Bei dem Schritt S106 wird eine gewünschte Phase, die auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Warm motorphasensteuerung MAP C ausgelesen (siehe 8B), in dem dargestellt ist, wie sich die gewünschte Phase gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Warmmotorbetrieb verändern muss. Anschließend wird in dem Schritt S107 der aus den vorprogrammierten Diagrammen A oder B ausgelesene Arbeitswinkel in die Winkelposition der Steuerwelle 13 umgewandelt. In Entsprechung zu dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals, das der bestimmten Winkelposition der Steuerwelle 13 entspricht, wird der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 betrieben. Anschließend wird in dem Schritt S108 die aus dem vorprogrammierten Diagramm C ausgelesene Phase, die auf den Warmmotorbetrieb (siehe Schritt S106) abgestimmt ist, in den Mittenwinkel des Arbeitswinkels umgewandelt. Während des Warmmotorbetriebes wird das Steuerstellglied 40 des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 in Entsprechung zu dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals entsprechend dem in dem Umwandlungsprozess bestimmten Mittenwinkel betrieben. Im Gegensatz hierzu wird im Kaltmotorbetrieb der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 auf dem anfänglich festgesetzten Wert, der der maximal verzögerten Phase L2 (siehe Schritt 103) entspricht, gehalten.
  • In 10 ist ein vorprogrammiertes Kennwertediagramm gezeigt, das bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des zweiten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt. Das System des zweiten Ausführungsbeispiels (siehe 9, 10 und 13) unterscheidet sich geringfügig von demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels (siehe 4 bis 7, 8A, 8B und 9), und zwar insbesondere, was die veränderliche Phasensteuerung im Kaltmotorbetrieb betrifft. Wie vorstehend ausgeführt, wird bei dem System des ersten Ausführungsbeispieles der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 im Kaltmotorbetrieb auf der anfänglich festgesetzten Position (der maximal verzögerten Phase L2) gehalten. Dem steht gegenüber, dass bei dem System des zweiten Ausführungsbeispieles der IVO-IVC-Regulierbereich, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, auf den vorprogrammierten Kaltmotorregulierbereich G2 eingeschränkt ist, weshalb die Phase (das heißt die Winkelphase an dem Mittenwinkel des Arbeitswinkels) genauso wie der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 im Kaltmotorbetrieb innerhalb des vorgegebenen Kaltmotorregulierbereiches G2 verändert werden können. Dies steigert den Energieertrag des Motors wirkungsvoll und verbessert die Kraftstoffausnutzung. Dies bedeutet insbesondere, dass der vorprogrammierte Kaltmotorregulierbereich G2 (siehe den linken im Wesentlichen gleichseitigen schraffierten Bereich von 10) im Vergleich zu dem vorgegebenen Kaltmotorregulierbereich F1 derart stark eingeschränkt ist, dass die Einlassventilöffnungszeit IVO im Vergleich zu einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2, die in der Nähe des TDC liegt, verzögert wird. Mit anderen Worten, die maximal vorverlegte Einlassventilöffnungszeit IVO wird im Kaltmotorbetrieb auf die vorbestimmte Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2 eingeschränkt. Auf diese Weise kann auf dieselbe Art, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, bei dem System des zweiten Ausführungsbeispiels vermieden werden, dass die Ventilüberdeckung übermäßig zunimmt, wodurch wiederum verhindert wird, dass die Verbrennungsstabilität auch im Kaltmotorbetrieb sinkt.
  • In 11 ist ein vorprogrammiertes Kennwertediagramm gezeigt, das bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des dritten Ausführungsbeispiels Verwendung findet. Das System des dritten Ausführungsbeispiels (dargestellt in 9 sowie 11 bis 13) ähnelt dem Grunde nach demjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels (dargestellt in 9 und 10 sowie 13). Das System des dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von demjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels dadurch, dass zusätzlich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2 eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 vorhanden ist, um das aktuelle Verdichtungsverhältnis exakt zu steuern, und um eine verbesserte Verbrennungsstabilität zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass ein vorprogrammierter Kaltmotorregulierbereich G3, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist (siehe den linken im Wesentlichen die Form eines umgedrehten Drachen aufweisenden schattierten Bereich von 11), im Vergleich zu dem vorgegebenen Warmmotorregulierbereich F1 stark beschränkt ist, sodass die Einlassventilöffnungszeit IVO im Vergleich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2, die in der Nähe von TDC liegt, stark verzögert ist, und sodass die Einlassventilverschlusszeit IVC im Vergleich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 stark verzögert ist. Mit anderen Worten, es wird im Kaltmotorbetrieb die maximal vorverlegte Einlassventilöffnungszeit IVO auf eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2 begrenzt, während die maximal vorverlegte Einlassventilverschlusszeit IVC auf eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 beschränkt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 derart festgesetzt, dass bei Vorhandensein höherer Anforderungen an die Motorlast bei kleinem Arbeitswinkel verhindert wird, dass die Einlassventilverschlusszeit IVC übermäßig vorverlegt wird, wenn der Anforderung an die Last genüge getan wird. Wie in 11 gezeigt ist, wird vorgezogen, die vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 auf eine Ventilverschlusszeit festzulegen, die im Vergleich zu dem unteren Totpunkt (bottom dead center BDC) stark vorverlegt ist.
  • In 12 ist eine veränderliche Arbeitswinkel- und Phasensteuerroutine des veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystems des dritten Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Routine gemäß 12 ähnelt der Routine von 7. Die Schritte S110 bis S112 sowie S118 bis S121 des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 12 sind zu den Schritten S100 bis S102 und S105 bis S108 des ersten Ausführungsbeispieles gemäß 7 identisch. Die Schritte S103 und S104 der Routine des ersten Ausführungsbeispieles gemäß 7 sind durch die Schritte S113 bis S117 der Routine des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 12 ersetzt. Die Schritte S113 bis S117 werden nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, wobei eine detaillierte Beschreibung der Schritte S110 bis S112 und S118 bis S121 unterbleibt, da die vorstehende Beschreibung hiervon als ausreichend erachtet wird.
  • Bei dem Schritt S112 geht, wenn die Bedingung Toil < T1 erfüllt ist, und wenn daher die ECU erkennt, dass der Motor kalt ist, die Routine zu dem Schritt S113 über. Bei dem Schritt S113 wird ein gewünschter Arbeitswinkel, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem vorprogrammierten Arbeitswinkelsteuerdiagramm MAP B' des kalten Motors (siehe 9) ausgelesen, in dem dargestellt ist, wie sich der gewünschte Arbeitswinkel gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Kaltmotorbetrieb ändern muss. Danach wird bei dem Schritt S114 eine Phase, die auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem vorprogrammierten Phasensteuerdiagramm MAP D' bei kaltem Motor (siehe 13) ausgelesen, in dem dargestellt ist, wie sich die gewünschte Phase gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Kaltmotorbetrieb ändern muss. Bei dem Schritt S115 werden die geeignete Ventilüberdeckung O/L und eine geeignete Einlassventilverschlusszeit IVC berechnet oder arithmetisch auf Grundlage des bei dem Schritt S113 festgesetzten gewünschten Arbeitswinkels und der bei dem Schritt S114 festgesetzten gewünschten Phase bestimmt. Danach wird bei dem Schritt S116 eine erste Überprüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die gewünschte Ventilüberdeckung O/L größer als ein vorgegebenes Entscheidungskriterium O/LK (das heißt O/L > O/LK) ist, das heißt, ob der Wert IVO im Vergleich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2 ungewollt vorverlegt ist. Gleichzeitig wird bei dem Schritt S116 eine zweite Überprüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die gewünschte Einlassventilverschlusszeit IVC kleiner als der vorgegebene Schwellenwert IVCK (das heißt IVC < IVCK) ist, das heißt, ob der Wert IVC im Vergleich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β1 ungewollt vorverlegt ist. Wenn wenigstens eine der durch IVC < IVCK und O/L > O/LK festgelegten Bedingungen erfüllt ist, geht die Routine von dem Schritt S116 zu dem Schritt S117 über. Bei dem Schritt S117 werden, beispielsweise zu dem Zweck des Ausgleiches der gesteuerten Variable der veränderlichen Phasensteuerung, die durch den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 verwirklicht ist, die gewünschte Einlassventilöffnungszeit IVO und die gewünschte Einlassventilverschlusszeit IVC des Einlassventils 1 zurückgesetzt, sodass die Werte IVO und IVC nunmehr innerhalb des vorprogrammierten und in 11 gezeigten Kaltmotorregulierbereiches G3 liegen. Nach dem Schritt S117 geht die Routine zu dem Schritt S121 über. Für den Fall, dass die Antwort bei dem Schritt S116 negativ (nein) ist, und damit die beiden vorstehend aufgeführten Bedingungen IVC < IVCK und O/L > O/LK nicht gleichzeitig erfüllt sind, erkennt die ECU, dass es nicht möglich ist, die gesteuerten Variablen der veränderlichen Phasensteuerung und/oder der veränderlichen Arbeitswinkelsteuerung auszugleichen. Zu diesem Zeitpunkt geht die Routine von dem Schritt S116 zu dem Schritt S121 über. Bei dem Schritt S121 wird die Phase, die durch die Schritte S114 oder S119 erhalten oder durch den Schritt S117 ausgeglichen wurde, in den Mittenwinkel des Arbeitswinkels umgewandelt. Im Warmmotorbetrieb wird das Steuerstellglied 40 des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 in Entsprechung zu dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals entsprechend dem Mittenwinkel auf Basis der bei dem Schritt S119 aus dem Diagramm ausgelesenen Phase betrieben. Demgegenüber wird im Kaltmotorbetrieb das Steuerstellglied 40 des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 in Entsprechung zu dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals entsprechend dem Mittenwinkel auf Basis der bei dem Schritt S114 aus dem Diagramm ausgelesenen Phase oder der durch den Schritt S117 ausgeglichenen Phase betrieben. In der Routine entsprechend dem System des zweiten Ausführungsbeispiels (dargestellt in 9 und 10 sowie 13) werden die Berechnung der gewünschten Einlassventilverschlusszeit IVC (ausgeführt bei dem Schritt S115) sowie der Vergleich zwischen den beiden Werten IVC und IVCK (ausgeführt bei dem Schritt S116) weggelassen.
  • Wie allgemein bekannt ist, hängt die Verbrennungsstabilität weitgehend von der Zündempfindlichkeit ab. Das Innenzylindertemperatur, der Innenzylinderdruck, das Kraftstoff-Luft-Mischverhältnis (oftmals als „A/F"abgekürzt) und dergleichen dienen als Steuerfaktoren für die Zündempfindlichkeit. Selbstverständlich unterscheidet sich die Innenzylindertemperatur, die man erhält, wenn der Motor warm ist, und die Zündkerzenzündung gerade begonnen hat, beträchtlich von derjenigen, die man erhält, wenn der Motor kalt ist, und die Zündkerzenzündung gerade begonnen hat. Analog unterscheidet sich die Kraftstoffflüchtigkeit (das heißt der gewünschte Wert für A/F), den man im Warmmotorbetrieb erhält, beträchtlich von derjenigen, die man im Kaltmotorbetrieb erhält. Darüber hinaus ist im Zustand bei geringer Last der Innenzylinderdruck niedrig. Eingedenk all dieser Faktoren ist es möglich, die Kraftstoffausnutzung wirkungsvoll zu verbessern, und zwar in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motortemperatur (in Abhängigkeit davon, ob der Motor warm oder kalt ist), während die Verbrennungsstabilität verbessert wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die vorstehend erläuterten vorprogrammierten Steuerdiagramme für die gewünschte Phase und den gewünschten Arbeitswinkel unter Einbeziehung all dieser Faktoren ermittelt.
  • In 14 und 15 ist ein vorprogrammiertes Kennwertediagramm dargestellt, das bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles verwendet wird. 14 zeigt ein Beispiel für ein Kennwertediagramm des vorgegebenen IVO-IVC-Regulierbereiches, das bei dem veränderlichen Arbeitswinkel-/Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles zum Einsatz kommt. Der schattierte Parallelogrammbereich von 14 und 15 entspricht dem vorprogrammierten IVO-IVC-Regulierbereich F2, in dem die Werte IVO und IVC des Einlassventils 1 im Warmmotorbetrieb veränderlich gesteuert oder eingestellt werden können. Der vorprogrammierte Regulierbereich F2 wird nachstehend als „vorprogrammierter Warmmotorregulierbereich F2" bezeichnet. Die Kreisgraphen von 14 und 15 geben schematisch die Werte IVO und IVC des Einlassventils 1 in verschiedenen Zuständen der veränderlichen Arbeitswinkel-/Phasensteuerung an, so beispielsweise während des Leerlaufes des kalten Motors, in einem maximalen Ausgabezustand Q2 und dergleichen. Bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des vierten Ausführungsbeispieles wird in einem Anfangszustand P2, in dem das Arbeitswinkelsteuerstellglied 30 und das Phasensteuerstellglied 40 nicht in Betrieb sind, was dann der Fall ist, wenn der Motor steht und daher keine Ausgabesignale der ECU an die Magnetven tile 31 und 41 gesendet werden, der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 in seiner Anfangsposition gehalten, die einem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel entspricht, während gleichzeitig der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 in seiner eingestellten Position gehalten wird, die einer vorgegebenen maximal vorverlegten Phase entspricht. Die beiden Werte IVC und IVO des Einlassventils 1 können ausgehend von der vorgegebenen maximal vorverlegten Phase (die der anfänglich festgesetzten Position P2 entspricht) hin zu der gewünschten Phase, die auf Basis des Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals der ECU 50 bestimmt wird, dadurch verändert oder verzögert werden, dass der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 betrieben wird. Bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels beachte man, dass der IVC-IVO-Regulierbereich, der auf den Kaltmotorbetrieb abgestimmt ist, auf den vorprogrammierten Kaltmotorregulierbereich G4 beschränkt ist. Der vorstehend erläuterte Warmmotorregulierbereich F2, der den Anfangszustand P2 enthält und bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels (dargestellt in 14 bis 18) verwendet wird, wird in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren bestimmt oder festgesetzt, nämlich in Abhängigkeit vom Leerlaufzustand nach Anlaufen des Motors, vom Arbeitswinkelkennwert des Arbeitswinkels Q2 bei maximaler Ausgabeleistung, vom Betriebsbereich, der eine zulässige Verbrennungsstabilität unter der bestimmten Bedienung, in der der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 nicht in Betrieb ist und auf seinem Anfangswert, der dem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel entspricht, gehalten wird, und dergleichen. Der minimale Arbeitswinkel des Einlassventils 1 verringert auch den Ventilhub. Wie durch einen Vergleich der Parallelogrammbereiche von 4 und 14 als Ganzes deutlich wird, ist der vorprogrammierte Warmmotorregulierbereich F2 bei dem vierten Ausführungsbeispiel im Vergleich zu dem vorprogrammierten Warmmotorregulierbereich F1 bei dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel zu der zeitlich verzögerten Seite hin verschoben. Wie in 14 gezeigt ist, wird, wenn die Phase von dem Anfangszustand P2 (im ungesteuerten Zustand der Stellglieder 30 und 40) durch Betreiben des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 verzögert wird, die Einlassventilöffnungszeit IVO weiter verzögert, wodurch der Innenzylindernegativdruck steigt. Im Ergebnis ist die Strömungsgeschwindigkeit der Einlassluft, die in den Zylinder eintritt, hoch, wodurch die Kraftstoffzerstäubung gefördert wird. Zu diesem Zeitpunkt neigt der Pumpverlust zur Zunahme, weshalb das Gewicht der Einlassluft, die in den Zylinder eintritt, ebenfalls der Tendenz nach ansteigt. Dies trägt zu einer verbesserten Verbrennungsstabilität bei. Wie aus dem eingeschränkten Kaltmotorregulierbereich G4 Von 14 herauslesbar ist kann des vierten Ausführungsbeispiel die gur 14 herauslesbar ist, kann das System des vierten Ausführungsbeispiels die Kennwerte des Temperaturanstiegs des Katalysators im Kaltmotorbetrieb erheblich verbessern. Dies bedeutet insbesondere, dass bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels im Kaltmotorbetrieb der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 an dem minimalen Arbeitswinkel gehalten wird, während der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 innerhalb des vorprogrammierten Kaltmotorregulierbereiches, der sich von der maximal verzögerten Phase zu der maximal vorverlegten Phase hin erstreckt, veränderlich gesteuert wird. Wie vorstehend ausgeführt, wird insgesamt der vorprogrammierte Warmmotorregulierbereich F2 selbst auf die Zeitverzögerungsseite voreingestellt, weshalb die Einlassventilöffnungszeit IVO auf einen Zeitpunkt festgelegt werden kann, der gegenüber der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α1 (oder der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2) auch dann stark verzögert ist, wenn die Phase des Einlassventils 1 von der maximal verzögerten Phase hin zu der maximal vorverlegten Phase durch den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 verändert wird, wobei der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus auf der anfänglich eingestellten Position, die dem minimalen Arbeitswinkel entspricht, gehalten wird. Bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels kann vermieden werden, dass die Ventilüberdeckung unerwünscht stark ansteigt, wodurch die Verbrennungsstabilität im Kaltmotorbetrieb gesteigert wird. Wie aus dem vorprogrammierten Kaltmotorregulierbereich G4 ersichtlich ist, kommt bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels der gesamte Phasensteuerbereich, der für den veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 gegeben ist, auch dann zur Anwendung, wenn der Motor kalt ist. Dies steigert die Freiheitsgrade der veränderlichen Phasensteuerung. 15 zeigt die konkrete Einstellung von IVO und IVC des Einlassventils 1 bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten und Lastbedingungen, so beispielsweise im Bereich einer sehr niedrigen Geschwindigkeit und einer sehr geringen Last (im Leerlauf), im Bereich einer niedrigen Geschwindigkeit (bei 1200 UpM) und einer geringen Last, im Bereich einer niedrigen Geschwindigkeit (bei 2000 UpM) und einer geringen Last sowie im Bereich einer mittleren Geschwindigkeit (bei 4000 UpM) und einer mittleren Last. Wie vorstehend ausgeführt, wird in dem Anfangszustand beziehungsweise dem ungesteuerten Zustand P2 (beispielsweise am Anlasspunkt des Motors), in dem der Motor noch steht, und daher die Steuerstellglieder 30 und 40 nicht in Betrieb sind, der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus in seiner Anfangsposition gehalten, die dem minimalen Arbeitswinkel entspricht, während der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 in der An fangsposition gehalten wird, die der maximal vorverlegten Phase entspricht. Wird der Motor aus dem Anfangszustand P2 heraus gestartet, so wird der veränderliche Phasensteuermechanismus 20 hin zu der maximal verzögerten Phase bei gleichzeitigem Anstieg des hydraulischen Druckes getrieben. Die Steuerroutine, die von der ECU 50 anschließend ausgeführt wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 16 beschrieben.
  • Bei dem Schritt S130 werden die Motorkühlmitteltemperatur Tw und die Öltemperatur Toil des Arbeitsfluids eingelesen. Bei dem Schritt S131 werden die Motorgeschwindigkeit und die Motorlast eingelesen. Bei dem Schritt S132 wird eine Prüfung vorgenommen, bei der festgestellt wird, ob die Öltemperatur Toil des Arbeitsfluids kleiner als eine vorgegebene Bezugsöltemperatur T1 ist. Für den Fall, dass Toil < T1 gilt, erkennt die ECU, dass der Motor kalt ist. Im umgekehrten Fall, wenn Toil ≥ T1 gilt, erkennt die ECU, dass der Motor warm ist. Ist die Antwort bei dem Schritt S132 positiv (ja), das heißt gilt Toil < T1 (im Kaltmotorbetrieb), so geht die Routine zu dem Schritt S133 über. Bei dem Schritt S133 wird die veränderliche Arbeitswinkelsteuerung angehalten, wodurch der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 in eine festgesetzte Position (das heißt den minimalen Arbeitswinkel) verschoben und dort gehalten wird. Anschließend wird bei dem Schritt S134 eine geeignete Phase, die auf den Kaltmotorzustand abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Kaltmotorphasensteuerung MAP D" ausgelesen (siehe 18), in dem dargestellt ist, wie sich die gewünschte Phase gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Kaltmotorbetrieb ändern muss. Nach dem Schritt S134 geht die Routine zu dem Schritt S137 über. Das System des vierten Ausführungsbeispiels hat die Verkürzung der Katalysatortemperaturanstiegszeit im Kaltmotorbetrieb und die Verringerung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe bedingt durch die Verzögerung der Zündungszeit zum Ziel. Er wird vorgezogen, die Ventilüberdeckung O/L so weit als möglich auf einen negativen Wert festzulegen. Dies bedeutet, dass zum Zwecke eines schnelleren Anstiegs der Katalysatortemperatur die Arbeitswinkelphasensteuerung derart programmiert oder ausgelegt wird, dass ein wirkungsvoller Anstieg der Innenzylindertemperatur durch eine geeignete Verzögerung der Einlassventilöffnungszeit IVO erfolgen kann. Wie aus der Veränderung der Kennwertekurven (bei Leerlaufgeschwindigkeit, bei 2000 UpM und bei 4000 UpM) in 15 ersichtlich ist, wird entsprechend dem Anstieg der Motorlast die gesteuerte Variable des veränderlichen Phasensteuerstellgliedes 40 auf Null eingestellt, um so einen Anstieg des Motorausgabemomentes zu erreichen. Was den Schritt S132 angeht, so geht, wenn die Antwort bei dem Schritt S132 negativ (nein) ist, das heißt wenn Toil ≥ T1 gilt (im Kaltmotorbetrieb), die Routine von dem Schritt S132 zu dem Schritt S135 über. Bei dem Schritt S135 wird eine gewünschte Phase, die auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Warmmotorphasensteuerung MAP C" ausgelesen (siehe 17B), in dem dargestellt ist, wie sich die gewünschte Phase gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Warmmotorbetrieb verändern muss. Im Anschluss an den Schritt S135 erfolgt die Ausführung des Schrittes S136. Bei dem Schritt S136 wird ein gewünschter Arbeitswinkel, der auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist, berechnet oder aus dem Diagramm der vorprogrammierten Warmmotorarbeitswinkelsteuerung MAP A" ausgelesen (siehe 17A), in dem dargestellt ist, wie sich der gewünschte Arbeitswinkel gegenüber der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast im Warmmotorbetrieb verändern muss. Anschließend wird in dem Schritt S137 die aus dem vorprogrammierten Diagramm C" ausgelesene Phase, die auf den Warmmotorbetrieb abgestimmt ist (siehe Schritt S135), oder die aus dem vorprogrammierten Diagramm D" ausgelesene Phase in den Mittenwinkel des Arbeitswinkels umgewandelt. Das Steuerstellglied 40 des veränderlichen Phasensteuermechanismus 20 wird in Entsprechung zu dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals entsprechend dem Mittenwinkel, der durch den Umwandlungsprozess bestimmt wurde, betrieben. Im Warmmotorbetrieb wird der aus dem vorprogrammierten Diagramm MAP A" von Schritt S136 ausgelesene Arbeitswinkel in eine Winkelposition der Steuerwelle 13 umgewandelt. Entsprechend dem Arbeitszyklus des pulsbreitenmodulierten Signals, das der bestimmten Winkelposition der Steuerwelle 13 entspricht, wird der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 betrieben. Dem steht gegenüber, dass im Kaltmotorbetrieb der Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 auf dem anfänglich eingestellten Wert gehalten wird, der dem minimalen Arbeitswinkel (siehe Schritt S133) entspricht. Entsprechend dem System des vierten Ausführungsbeispiels wird es auf dieselbe Weise wie bei den Systemen des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels möglich, eine Absenkung der Verbrennungsstabilität des Motors insbesondere im Kaltmotorzustand zuverlässig zu verhindern. Darüber hinaus ist es beim vierten Ausführungsbeispiel möglich, eine verbesserte Temperaturanstiegskennwertekurve des Katalysators mit einer verbesserten Beschleunigungsleistung gut in Einklang zu bringen. Während des Anlassens des kalten Motors treten verschiedene Probleme auf, nämlich vermehrt unverbrannte Kohlenwasserstoffe, eine unzureichende Menge von Arbeitsfluid für die hydraulisch betätigten Stellglieder 30 und 40 sowie ein hoher Viskositätskoeffizient des Arbeitsfluids. Bei dem System des vierten Ausführungsbeispiels wird im kalten Motorbetrieb eines (nämlich das Arbeitswinkelsteuerstellglied) der beiden Steuerstellglieder 30 und 40 im inoperativen Zustand gehalten. Die begrenzte Menge an Arbeitsfluid kann dann wirkungsvoll für das Phasensteuerstellglied 40 verwendet werden. Die vorgesehene Abgabe des Arbeitsfluids, das von der Ölpumpe 9 ausgegeben wird, kann verringert werden, sodass die Pumpe selbst kleinformatiger ausgelegt werden kann. Darüber hinaus ist in dem Anfangszustand P2, in dem der Motor steht, der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 derart ausgelegt, dass er auf dem minimalen Arbeitswinkel gehalten wird. Daher ist während eines Kaltstarts keine Notwendigkeit eines Rücksetzens oder Schaltens des veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 auf den minimalen Arbeitswinkel vorhanden. Dies verbessert die Verbrennungsstabilität während eines Kaltstarts des Motors. Darüber hinaus werden, was aus einem Vergleich zwischen der Routine, die von dem System des vierten Ausführungsbeispieles gemäß 16 ausgeführt wird (oder der Routine, die von dem System des ersten Ausführungsbeispieles gemäß 7 ausgeführt wird) und der Routine, die von dem System des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 12 ausgeführt wird, die Steuerroutinen (oder Steuerprogramme) der Systeme der ersten und vierten Ausführungsbeispiele im Vergleich zu denjenigen des dritten Ausführungsbeispiels einfacher.
  • 19 zeigt ein vorprogrammiertes Kennwertediagramm, das bei dem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem des fünften Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommt. Im Vergleich zu dem System des vierten Ausführungsbeispieles (dargestellt in 14 bis 18) ist das System des fünften Ausführungsbeispiels gemäß 19 dafür ausgelegt, die Kraftstoffausnutzung dadurch weiter zu verbessern, dass der veränderliche Arbeitswinkelsteuermechanismus 10 im Kaltmotorbetrieb positiv angetrieben wird. Dies bedeutet insbesondere, dass zum Zwecke der Verhinderung eines Absinkens der Ventilüberdeckung O/L, die größer als erforderlich wäre, wenn das Schalten des Magnetventils in den AUS-Zustand erfolgt, das System des fünften Ausführungsbeispiels ausgelegt oder konstruiert ist, um im Kaltmotorbetrieb die Einlassventilöffnungszeit IVO im Vergleich zu einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilöffnungszeit α2, die in der Nähe des TDC liegt, zu verzögern. Dies bedeutet, dass auf die gleiche Weise wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel bei dem System des fünften Ausführungsbeispiels der vorprogrammierte Warmmotorregulierbereich F2 im Vergleich zu dem vorprogrammierten Warmmotorregulierbereich F1 auf die zeitverzögerte Seite verschoben wird. Der IVC-IVO-Regulierbereich, der auf den Kaltmotorbetrieb des Systems des fünften Ausführungsbeispiels abgestimmt ist, ist auf den vorprogrammierten Kaltmotorregulierbereich G5 beschränkt, wobei jedoch zusätzlich dieser Kaltmotorregulierbereich G5, wie aus dem linken trapezförmigen schattierten Bereich von 19 ersichtlich ist, relativ groß bemessen ist. Aus diesem Grunde können sowohl die Phase (das heißt die Winkelphase an dem Mittenwinkel des Arbeitswinkels) wie auch der Arbeitswinkel des Einlassventils 1 innerhalb eines vergleichsweise großen Kaltmotorregulierbereiches G5 im Kaltmotorbetrieb verändert werden. Mit anderen Worten, die Arbeitswinkelsteuerung und die Phasensteuerung können beide innerhalb des vergleichsweise großen Steuerbereiches G5 im Kaltmotorbetrieb ausgeführt werden. Das System des fünften Ausführungsbeispiels ist demjenigen des vierten Ausführungsbeispiels, was die Freiheitsgrade bei der veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuerung angeht, im Kaltmotorbetrieb überlegen.
  • 20 zeigt ein vorprogrammiertes Kennwertediagramm, das bei einem veränderlichen Arbeitswinkel- und Phasensteuersystem eines sechsten Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommt. Wie aus einem Vergleich zwischen den Parallelogrammflächen von 19 und 20 ersichtlich ist, ist der vorprogrammierte Warmmotorregulierbereich F3 des sechsten Ausführungsbeispieles gemäß 20, insbesondere die Arbeitswinkelregulierbreite oder der entsprechende Bereich des veränderlichen Arbeitswinkelsteuermechanismus 10, gegenüber dem vorprogrammierten Warmmotorregulierbereich F2 des fünften Ausführungsbeispiels zu der Seite des minimalen Arbeitswinkels hin erweitert. Bedingt durch den weiter vergrößerten vorprogrammierten Warmmotorregulierbereich F3 besteht für den Fall, dass die veränderliche Arbeitswinkelsteuerung auf dieselbe Weise wie bei dem System des fünften Ausführungsbeispiels ausgeführt ist, eine verstärkte Neigung, dass die Einlassventilverschlusszeit IVC mehr vorverlegt wird, als nötig wäre, wenn der Arbeitswinkel hin zu einem sehr kleinen Arbeitswinkel veränderlich gesteuert wird. Dies senkt unerwünschterweise das aktuelle Verdichtungsverhältnis, wodurch sich die Verbrennungsstabilität verschlechtert. Um dies zu vermeiden, sind bei dem System des sechsten Ausführungsbeispiels eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassverschlusszeit β2 sowie eine vorgegebene Stabilitätsgrenzeneinlassöffnungszeit α2 vorgesehen. Dies bedeutet, dass im Kaltmotorbetrieb die Einlassventilverschlusszeit IVC im Vergleich zu der vorgegebenen Stabilitätsgrenzeneinlassventilver schlusszeit β2 verzögert ist. Mit anderen Worten, die maximal vorverlegte IVC kann im Kaltmotorzustand auf die Stabilitätsgrenzeneinlassventilverschlusszeit β2 beschränkt werden, sodass das aktuelle Verdichtungsverhältnis genau gesteuert wird, und sodass eine verbesserte Verbrennungsstabilität gewährleistet ist. Die Steuerroutine, die von dem System sowohl des fünften als auch des sechsten Ausführungsbeispiels durchgeführt wird, ist im Wesentlichen identisch zu der Routine von 12, die von dem System des dritten Ausführungsbeispiels (oder des zweiten Ausführungsbeispiels) ausgeführt wird. Aus diesem Grunde unterbleibt eine detaillierte Beschreibung der in der Routine des Systems des fünften und sechsten Ausführungsbeispiels enthaltenen Schritte.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird, obwohl ein Phasensteuermechanismus vom Schraubenkeiltyp als veränderlicher Phasensteuermechanismus verwendet wird, ein weiterer Typ von veränderlichem Phasensteuermechanismus eingesetzt. Anstelle der Verwendung des Schraubenkeiltyps wird nämlich auch ein Phasensteuermechanismus vom Flügelrotortyp verwendet. Typische Details eines Phasensteuermechanismus vom Flügelrotortyp sind beispielsweise in dem US-Patent 5,823,152 vom 20. Oktober 1998 von Masayasu Ushida beschrieben, wobei die Offenbarung dieses Patentes hiermit zur Offenbarung der vorliegenden Druckschrift hinzugenommen wird.
  • Der gesamte Offenbarungsgehalt der japanischen Patentanmeldung P2000-174733 (eingereicht am 12. Juni 2000) wird hiermit ebenfalls zur Offenbarung der vorliegenden Druckschrift hinzugenommen.
  • Da das Vorstehende eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt, ist unmittelbar einsichtig, dass die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass verschiedenartige Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dass der Schutzbereich dieser Erfindung gemäß Definition in den nachfolgenden Ansprüchen verlassen würde.

Claims (14)

  1. Ventilbetätigungssystem eines Verbrennungsmotors, das es ermöglicht, sowohl Ventil-Arbeitswinkel als auch -Phase zu ändern, wobei das Ventilbetätigungssystem umfasst: einen Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10), der einen Arbeitswinkel eines Einlassventils (1) veränderlich steuert; ein erstes Stellglied (30), das den Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) in Reaktion auf einen Zuführdruck von Arbeitsfluid antreibt; einen Phasen-Steuermechanismus (20), der eine Phase des Arbeitswinkels des Einlassventils (1) veränderlich steuert; ein zweites Stellglied (40), das den Phasen-Steuermechanismus (20) in Reaktion auf einen Zuführdruck von Arbeitsfluid antreibt; und einen Steuerabschnitt (50), der den Zuführdruck zu dem ersten und dem zweiten Stellglied steuert; dadurch gekennzeichnet, dass: ein Temperatursensor eine Temperatur des Arbeitsfluids erfasst; und der Steuerabschnitt eine Steuergröße wenigstens des Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) oder des Phasen-Steuermechanismus (20) in einem kalten Motorzustand, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids niedriger ist als ein vorgegebener Temperaturwert, so begrenzt, dass ein Einlassventil-Hubverhalten, das wenigstens den Arbeitswinkel oder die Phase einschließt, innerhalb eines begrenzten Steuer größenbereiches veränderlich gesteuert wird, der für den kalten Motorzustand geeignet ist und kleiner ist als ein Steuergrößenbereich, der für den warmen Motorzustand geeignet ist, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids über dem vorgegebenen Temperaturwert liegt oder ihm entspricht.
  2. Ventilbetätigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kalten Motorzustand eine Ventil-Öffnungszeit des Einlassventils (1) im Vergleich zu einer Stabilitätsgrenzen-Ventilöffnungszeit (α1, α2) verzögert wird.
  3. Ventilbetätigungssystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kalten Motorzustand der Phasen-Steuermechanismus (20) auf einer vorgegebenen maximalen Verzögerungsphase gehalten wird.
  4. Ventilbetätigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kalten Motorzustand der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) auf einem vorgegebenen minimalen Arbeitswinkel gehalten wird.
  5. Ventilbetätigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kalten Motorzustand eine Ventilverschlusszeit des Einlassventils (1) im Vergleich zu einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzen-Ventilverschlusszeit (β1, β2) verzögert wird.
  6. Ventilbetätigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) zwischen einer Antriebswelle (3), die sich synchron zur Drehung einer Kurbelwelle des Motors dreht, und einem schwenkbaren Nocken (4) vorhanden ist, der oszillierend auf einen Außenumfang der Antriebswelle (3) gepasst ist, so dass eine Nocken-Konturfläche des schwenkbaren Nockens (4) in Nockenverbindung mit dem Einlassventil (1) steht und das Einlassventil (1) durch eine oszillierende Bewegung des schwenkbaren Nockens (4) angetrieben wird, und der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) einen Antriebsnocken (11), der mit der Antriebswelle (3) so fest verbunden ist, dass eine Achse des Antriebsnockens (11) exzentrisch zu einer Achse der Antriebswelle (3) ist, und dass die Antriebswelle (3) zusammen mit dem Antriebsnocken (11) gedreht werden kann, ein erstes Verbindungsglied (12), das auf einen Außenumfang des Antriebsnockens (11) so aufgepasst ist, dass das erste Verbindungsglied (12) relativ zu dem Antriebsnocken (11) gedreht werden kann, eine Steuerwelle (13), die im Wesentlichen parallel zu der Antriebswelle (3) angeordnet ist und von dem ersten Stellglied (30) angetrieben wird, einen Steuernocken (14), der fest so mit der Steuerwelle (13) verbunden ist, dass eine Achse des Steuernockens (14) exzentrisch zu einer Achse der Steuerwelle (13) ist und dass die Steuerwelle (13) zusammen mit dem Steuernocken (14) gedreht werden kann, und einen Kipphebel (15), der auf einen Außenumfang des Steuernockens (14) so aufgepasst ist, dass der Kipphebel (15) relativ zu dem Steuernocken (14) gedreht werden kann, wobei ein Ende des Kipphebels (15) mit einem vorderen Ende des ersten Verbindungsgliedes (12) so gekoppelt ist, dass er relativ zu dem ersten Verbindungsglied (12) gedreht werden kann, sowie ein zweites Verbindungsglied (16) umfasst, das den Kipphebel (15) mechanisch mit dem schwenkbaren Nocken (4) darüber koppelt, wobei ein Ende des zweiten Verbindungsgliedes (16) drehbar mit dem anderen Ende des Kipphebels (15) gekoppelt ist und das andere Ende des zweiten Verbindungsgliedes (16) drehbar mit einem vorderen Ende des schwenkbaren Nockens (4) gekoppelt ist.
  7. Ventilbetätigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: der Phasen-Steuermechanismus (20) einen äußeren zylindrischen Abschnitt (21), der sich synchron zur Drehung einer Kurbelwelle des Motors dreht, einen inneren zylindrischen Abschnitt (23), der zusammen mit der Antriebswelle (3) gedreht werden kann, die das Einlassventil (1) antreibt, einen Kolben (42), der zwischen den äußeren und den inneren zylindrischen Abschnitt eingesetzt ist und axial durch das zweite Stellglied (40) angetrieben wird, sowie einen Wandler (25, 25) umfasst, der axiale Bewegung des Kolbens (42) in relative Drehbewegung des inneren und des äußeren zylindrischen Abschnitts (21, 23) zueinander umwandelt.
  8. Ventilbetätigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren einen Motortemperatursensor umfasst, der eine Motortemperatur misst, und wobei die Temperatur des Arbeitsfluids auf Basis der Motortemperatur geschätzt wird.
  9. Verfahren zum veränderlichen Steuern sowohl von Ventil-Arbeitswinkel als auch -Phase eines Einlassventils (1) eines Verbrennungsmotors mit einem Ventil-Betätigungssystem, das sowohl einen Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10), der den Arbeitswinkel des Einlassventils in Reaktion auf einen Zuführdruck von Arbeitsfluid veränderlich steuert, als auch einen Phasen-Steuermechanismus (20) hat, der eine Phase des Arbeitswinkels des Einlassventils (1) in Reaktion auf einen Zuführdruck von Arbeitsfluid veränderlich steuert, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Temperatur des Arbeitsfluids; Regulieren des Zuführdrucks jeweils für den Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) und den Phasen-Steuermechanismus (20) in Abhängigkeit von Motor-Betriebsbedingungen; in Reaktion auf die Temperatur des Arbeitsfluids Feststellen, dass sich der Motor in einem kalten Motorzustand, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids niedriger ist als ein vorgegebener Temperaturwert, oder einem warmen Motorzustand befindet, in dem die Temperatur des Arbeitsfluids höher ist als der vorgegebene Temperaturwert oder ihm entspricht, und Begrenzen einer Steuergröße wenigstens des Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) oder des Phasen-Steuermechanismus (20) in dem kalten Motorzustand, so dass ein Einlassventil-Hubverhalten, das wenigstens den Arbeitswinkel oder die Phase einschließt, innerhalb eines begrenzten Steuergrößen-Bereiches, der für den kalten Motorzustand geeignet ist und enger eingestellt ist als ein Steuergrößen-Bereich, der für den warmen Motorzustand geeignet ist, veränderlich gesteuert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren umfasst: in Reaktion auf Eingangsinformationen bezüglich des Zustandes, in dem sich der Motor befindet, Einstellen eines Regulierbereiches der Einlassventil-Öffnungszeit sowie der Einlass-Verschlusszeit auf einen ersten Regulierbereich (F1; F2; F3), der so vorprogrammiert ist, dass er für den warmen Motorzustand geeignet ist; in Reaktion auf Eingangsinformationen bezüglich des Zustandes, in dem sich der Motor befindet, Einstellen des Regulierbereiches der Einlassventil-Öffnungszeit sowie der Einlass-Verschlusszeit auf einen zweiten Regulierbereich (G1; G2; G3; G4; G5; G6), der so vorprogrammiert ist, dass er für den kalten Motorzustand geeignet ist; und Antreiben wenigstens des Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) oder des Phasen-Steuermechanismus (20) in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen innerhalb des Regulierbereiches der Einlassventil-Öffnungszeit und der Einlassventil-Verschlusszeit, der entweder auf den ersten Regulierbereich oder den zweiten Regulierbereich eingestellt ist.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Einlassventil-Öffnungszeit (IVO) in dem kalten Motorzustand auf eine Zeit begrenzt ist, die gegenüber einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzen-Ventil-Öffnungszeit (α1 α2), die im Wesentlichen dem oberen Totpunkt entspricht, verzögert ist.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Einlassventil-Verschlusszeit in dem kalten Motorzustand auf eine Zeit begrenzt ist, die gegenüber einer vorgegebenen Stabilitätsgrenzen-Ventil-Verschlusszeit (β1, β2), die im Wesentlichen einer Verschlusszeit entspricht, die vor dem unteren Totpunkt liegt, verzögert ist.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass: in einem ungesteuerten Zustand, in dem der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) und der Phasen-Steuermechanismus (20) beide nicht arbeiten, der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) in einer Ausgangsposition (P1) gehalten wird, die einem minimalen Arbeitswinkel (L1) entspricht, während der Phasen-Steuermechanismus (20) in einer Ausgangsposition gehalten wird, die einer maximalen verzögerten Phase (L2) entspricht; und in dem kalten Motorzustand der Phasen-Steuermechanismus (20) nicht arbeitet und der Arbeitswinkel des Einlassventils (1) gegenüber der Ausgangsposition, die dem minimalen Arbeitswinkel (L1) entspricht, in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen erhöht wird, indem nur der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) angetrieben wird, um eine Einlassventil-Öffnungszeit (IVO) vorzuverlegen und eine Einlassventil-Verschlusszeit (IVC) zu verzögern.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass: in einem ungesteuerten Zustand, in dem der Arbeitwinkel-Steuermechanismus (10) und der Phasen-Steuermechanismus (20) beide nicht arbeiten, der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) in einer Ausgangsposition gehalten wird, die einem minimalen Arbeitswinkel entspricht, während der Phasen-Steuermechanismus (20) in einer Ausgangsposition (P2) gehalten wird, die einer maximalen vorverlegten Phase entspricht; und in dem kalten Motorzustand der Arbeitswinkel-Steuermechanismus (10) außer Funktion bleibt und die Phase des Einlassventils (1) gegenüber der Ausgangsposition, die der maximalen vorverlegten Phase entspricht, in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen verzögert wird, indem nur der Phasen-Steuermechanismus (20) angetrieben wird, um sowohl eine Einlassventil-Öffnungszeit (IVO) als auch eine Einlassventil-Verschlusszeit (IVC) zu verzögern.
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