EP2510201A1 - Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer ventilsteuerung und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer ventilsteuerung und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine

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EP2510201A1
EP2510201A1 EP10787355A EP10787355A EP2510201A1 EP 2510201 A1 EP2510201 A1 EP 2510201A1 EP 10787355 A EP10787355 A EP 10787355A EP 10787355 A EP10787355 A EP 10787355A EP 2510201 A1 EP2510201 A1 EP 2510201A1
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EP
European Patent Office
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hydraulic
valve
internal combustion
combustion engine
camshaft
Prior art date
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EP10787355A
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English (en)
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EP2510201B1 (de
Inventor
Lothar Von Schimonsky
Camilo Costa
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2510201B1 publication Critical patent/EP2510201B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic
    • F01L9/11—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column
    • F01L9/12—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column with a liquid chamber between a piston actuated by a cam and a piston acting on a valve stem
    • F01L9/14—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic in which the action of a cam is being transmitted to a valve by a liquid column with a liquid chamber between a piston actuated by a cam and a piston acting on a valve stem the volume of the chamber being variable, e.g. for varying the lift or the timing of a valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34446—Fluid accumulators for the feeding circuit

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with electrohydraulic valve control for variable-stroke driving of a gas exchange valve subjected to spring force in the closing direction and to a method for operating the internal combustion engine.
  • This comprises a camshaft and a hydraulic system arranged in the drive sense between the camshaft and the gas exchange valve, which is connected to a hydraulic fluid supply of the internal combustion engine and has the following:
  • a pressure chamber of variable volume bounded by the first hydraulic piston and the second hydraulic piston and a control channel connecting the pressure chamber to a pressure relief chamber
  • the internal combustion engine further comprises an electronic drive means for controlling the hydraulic valve as a function of operating parameters of the internal combustion engine.
  • the operating behavior of electrohydraulic valve trains in a significant amount depends on the properties of the hydraulic fluid and, in particular, on its instantaneous and mainly temperature-induced viscosity state.
  • a major cause of this dependency lies in the so-called hydraulic valve brake, which is part of the hydraulic system and replaces the valve closing ramp on the cam provided by conventional mechanical valve trains.
  • the hydraulic valve brake is known to have the task of forming a decoupled from the cam lift stroke of the gas exchange valve so that the closing gas exchange valve always reaches the valve seat with mechanically and acoustically acceptable Aufsetz effet.
  • the hydraulic valve brake is to be designed so that the change in charge of the internal combustion engine affecting target-actual deviations of the gas exchange valve closing timing are minimal.
  • Hydraulic valve brakes are usually designed such that the hydraulic fluid displaced by the gas exchange valve-side second hydraulic piston has to pass a throttle point shortly before the gas exchange valve closes, the hydraulic resistance of which suppresses the gas exchange valve. generated hubs to the predetermined Aufsetz Anlagen.
  • the viscosity-temperature response of the hydraulic fluid limits the functionality of the hydraulic valve brake to a temperature window in such a way that the closing time of the gas exchange valve below a limit temperature fluctuates and / or decelerated unduly.
  • the gas exchange valve does not reach the valve seat and remains - in terms of the charge cycle and combustion process of the internal combustion engine - in an inadmissible way between two revolutions of the camshaft open.
  • the electronic activation means is configured to control the hydraulic valve as a function of the operating hydraulic fluid temperature or viscosity and / or the operating pressure in the hydraulic fluid supply such that during one engine operating phase the one or immediately successive revolutions the camshaft comprises, only a predetermined partial volume of the pressure chamber is filled with hydraulic fluid and the hydraulic valve is at least during each entire elevation phase of the cam in the closed position.
  • the defined presetting of the partial volume of hydraulic medium located in the pressure chamber is effected by a targeted loss of stroke of the hydraulic linkage during one or more revolutions of the camshaft before the engine operating phase and causes during the engine operating phase that the gas exchange valve opens later with respect to the cam lobe and closes earlier with correspondingly reduced lift height.
  • the hydraulic valve brake remains between two camshaft revolutions for a longer time interval in which the gas exchange valve can safely reach the valve seat.
  • the amount of sub-volume is to be adjusted so that the gas exchange valve does not fall below a minimum lifting height and does not exceed a maximum closing time in view of a successful change of charge. This also applies to the case that the hydraulic valve is opened in the phases between the cam lobes and thus allows a refilling of the pressure chamber with hydraulic fluid from the pressure relief chamber.
  • the invention particularly promotes a successful start and initial warm-up phase of the cold internal combustion engine at very low ambient temperatures (typically at -30 ° C ambient and engine temperature to ensure a successful startup), especially under such conditions, the pressure build-up in the hydraulic fluid supply of the internal combustion engine is particularly delayed.
  • insufficient pressure in the hydraulic fluid supply of the internal combustion engine can prevent a complete refilling of the pressure chamber to the extent that a controlled modification or reduction of Gas monventilhubs by cyclically true Ab Kunststoffn hydraulic fluid from the pressure chamber is not possible during the cam lobe.
  • the invention also allows for cold, i. combinkosem hydraulic means with respect to the cam lift later inlet opening. As explained above, this is not possible with conventional actuation of the hydraulic valve, since the hydraulic valve does not close or does not close sufficiently quickly against highly viscous hydraulic fluid flow in the control passage.
  • the invention is not limited only to its application with cold hydraulic means, but can also be used at other operating temperatures of the internal combustion engine.
  • the purposes of the invention can be dispensed with a cycle-faithful refilling of the pressure chamber between the cam lobe phases, if the refilling only serves to compensate for unavoidable gap leakage from the pressure chamber and the leaks in the case of very high hydraulic fluid viscosity are negligible.
  • the hydraulic valve tils be provided in such a way that the hydraulic valve remains closed not only during the engaged cam lobe phase, but during the entire engine operating phase.
  • the number of revolutions of the camshaft during the engine operating phase in dependence on the determined at the time of starting the engine hydraulic fluid temperature is predetermined by the electronic drive means.
  • Parameter for this predetermined number of revolutions is essentially the temperature of the hydraulic fluid during the starting process, wherein the parameter-dependent number of revolutions can be determined by test bench tests and stored in a characteristic field of the electronic control means as a control variable.
  • the predetermined duration of the engine operating phase it can also be provided to set this duration as a function of current operating parameters, in particular the hydraulic fluid temperature.
  • said engine operating phase may be passed once or, if necessary, several times consecutively.
  • the electronic control means should be configured to control the hydraulic valve such that during one of the engine operating phases following another engine operating phase comprising immediately consecutive revolutions of the camshaft Pressure chamber is at least almost completely refilled with hydraulic fluid before each survey phase of the cam.
  • the object on which the invention is based is achieved on the procedural side by the fact that the electronic control device is configured to control the hydraulic valve as a function of the operating hydraulic fluid temperature or viscosity and / or the operating pressure in the hydraulic fluid supply, wherein the following method steps are provided, which follow one another in time: Opening the hydraulic valve at a time within the elevation phase of the cam and closing the hydraulic valve at a time such that only a predetermined partial volume of the pressure chamber is filled with hydraulic fluid, and
  • Figure 1 is a temporal sequence of elevations of the cam and the gas exchange valve with associated current curves on the hydraulic valve
  • FIG. 2 shows a time sequence corresponding to FIG. 1, wherein the hydraulic valve is in the closed position during the entire machine operating phase;
  • Figure 4 is a schematic diagram of the electro-hydraulic valve control.
  • the starting point of the description is the basic representation of a known electrohydraulic valve control 1 shown in FIG.
  • the valve control 1 is used for variable-stroke driving of a gas exchange valve 3 of an internal combustion engine which is subjected to a force in the closing direction by a valve spring 2.
  • machine 4 and comprises as essential components a cam 5 of a camshaft 6, a cam 5 here by means of a tappet 7 driven first hydraulic piston 8, a gas exchange valve 3 in the opening direction driving second hydraulic piston 9, one between the first hydraulic piston 8 and the second hydraulic piston 9 extending pressure chamber 10 with variable volume and a pressure relief space 1 1, which is connected to the pressure chamber 10 via a control channel 12 and a spring-loaded pressure accumulator 13 includes.
  • the arranged in the drive sense between the camshaft 6 and the gas exchange valve 3 hydraulic system is connected to a hydraulic fluid supply 14 of the internal combustion engine, here the lubricant circuit.
  • an electrically controlled hydraulic valve 15 is arranged in the design of a 2/2-way switching valve, which allows in its de-energized open position a hydraulic fluid flow through the control channel 12 and locks in its energized closed position.
  • the electrical actuation of the hydraulic valve 15 as a function of operating parameters of the internal combustion engine 4 takes place via an electronic control means 16 as an integrated component of the engine control unit.
  • valve control 1 The known manner of operation of the valve control 1 can be summarized in that the hydraulic means located in the pressure chamber 10 acts as a hydraulic linkage, the elevation predetermined by the cam 5 being transferred to the gas exchange valve 3 when the hydraulic valve 15 is closed and partially open when the hydraulic valve 15 is open or is completely diverted into the pressure relief chamber 1 1.
  • the hydraulic decoupling of the cam lobe and the Gas monventilhubs requires a hydraulic valve brake 17, which throttles back from the second hydraulic piston 9 hydraulic fluid and so the closing gas exchange valve 3 decelerates to a mechanically and acoustically acceptable Aufsetz economically the valve seat 18.
  • FIG. 1 During the first cam elevation 20, the energized hydraulic valve 15 is de-energized, so that when the control channel 12 is open, a part of the hydraulic medium in the pressure chamber 10 is displaced into the pressure relief chamber 11 and accordingly the cam elevation 20 is only partially displaced to the gas exchange valve 3 is transmitted.
  • the times at which the energization 21 of the hydraulic valve 15 is turned off and then turned back on, and the corresponding time interval in which the hydraulic valve 15 is opened and allows refilling of the pressure chamber 10, are such that at the beginning of the second cam lobe only one predetermined partial volume of the pressure chamber 10 is filled with hydraulic fluid.
  • the duration of the engine operating phase includes the revolutions 2 to n of the camshaft 6.
  • the control of the hydraulic valve 15 takes place in such a way that on the one hand, the hydraulic valve 15 is energized during each entire cam lift phase 20 and thus remains closed throughout.
  • the time intervals between the cam elevations 20, in which the hydraulic valve 15 is not energized and consequently open are dimensioned such that, despite possible refilling of the pressure chamber 10, only a partial volume with a predetermined maximum amount of hydraulic fluid is contained therein.
  • the respective subsequent gas exchange valve lift 19 moves in the predetermined Benen limits the minimum required lifting height h-min and the maximum allowable closing time a-max, as shown enlarged in Figure 3.
  • the predetermined by the electronic drive means 16 number of revolutions of the camshaft 6 during the engine operating phase is dependent on the temperature of the hydraulic fluid during the starting process of the internal combustion engine 4. In the case of the examined by the applicant test rig hardware were at a hydraulic fluid temperature of -20 ° C 40 revolutions and from - 30 ° C determined 120 rotations as optimal.
  • the hydraulic valve 15 Upon completion of the initial warm-up phase of the engine 4, i. After the engine operating phase with the cam lobes 2 to n, the hydraulic valve 15 is energized between the nth and ⁇ + 1 th cam lobe 20 so that the pressure chamber 10 can be completely refilled with hydraulic fluid.
  • the electronic drive means 16 is configured so that this also applies to all further revolutions of the camshaft 6 during the subsequent further engine operating phase, which starts with the ⁇ + 1 th cam lobe 20 and in which the hydraulic valve 15 is closed during the cam elevation phase 20 and is opened to produce the stroke variability on the gas exchange valve 3 in a known manner.
  • FIG. 2 shows the essential difference with respect to the sequence according to FIG. 1 in the control of the hydraulic valve 15 during the engine operating phase with revolutions 2 to n of the camshaft 6.
  • the possibility of a cyclically correct partial refilling of the pressure chamber 10 between the cam lobe phases 20 dispensed by the hydraulic valve 15 is energized during the entire engine operating phase (current waveform 21 at revolutions 2 to n of the camshaft 6) and thus permanently closed.
  • This is useful when refilling the pressure chamber 10 merely serves to compensate for unavoidable gap leakage from the pressure chamber 10 and the leaks in the case of very high hydraulic fluid viscosity are negligibly small.

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Abstract

Vorgeschlagen ist eine Brennkraftmaschine (4) mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung (1) zum hubvariablen Antrieb eines Gaswechselventils (3), wobei das Hydraulikventil (15) durch ein elektronisches Ansteuermittel (16) so angesteuert wird, dass insbesondere während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine (4) ein für den Ladungswechsel erforderlicher Gaswechselventilhub (19) innerhalb einer minimalen Hubhöhe (h-min) und eines maximalen Schließzeitpunkts (α-max) eingestellt wird. Vorgeschlagen ist ferner ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine (4).

Description

Bezeichnung der Erfindung
Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung und Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine
Beschreibung Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung zum hubvariablen Antrieb eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine. Diese umfasst eine Nockenwelle und ein im Antriebssinn zwischen der Nockenwelle und dem Gaswechselventil angeordnetes Hydraulik- System, das an eine Hydraulikmittelversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossen ist und folgendes aufweist:
- einen von einem Nocken der Nockenwelle angetriebenen ersten Hydraulikkolben und einen das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung antreibenden zweiten Hydraulikkolben,
- einen von dem ersten Hydraulikkolben und dem zweiten Hydraulikkolben begrenzten Druckraum mit veränderlichem Volumen und einen den Druckraum mit einem Druckentlastungsraum verbindenden Steuerkanal,
- ein im Steuerkanal angeordnetes, elektrisch angesteuertes Hydraulikventil, das einen Hydraulikmittelfluss durch den Steuerkanal in geöffneter Stellung des Hydraulikventils zulässt und in geschlossener Stellung des Hydraulikventils sperrt.
Die Brennkraftmaschine umfasst ferner ein elektronisches Ansteuermittel zur Ansteuerung des Hydraulikventils in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Brennkraftmaschinen mit elektrohydraulischen Ventiltrieben, bei denen ein Teilvo- lumen des als sogenanntes hydraulisches Gestänge wirkenden Druckraums bei geöffnetem Hydraulikventil stufenlos in den Druckentlastungsraum absteuerbar ist und dementsprechend die vom Nocken vorgegebene Erhebung vollständig, teilweise oder gar nicht auf das Gaswechselventil übertragen wird, sind in der Patent- literatur aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt. Der konstruktive Aufbau der Ventilsteuerung einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine geht aus dem Artikel 'Elektrohydraulische Ventilsteuerung mit dem ,,MultiAir"-Verfahren' hervor, der jüngst in der Motortechnischen Zeitschrift (MTZ), Ausgabe 12/2009 veröffentlicht wurde. Dieser Artikel zeigt auch ein Motorkennfeld mit unterschiedlichen Hub- kurven, die - ausgehend von der Nockenerhebung - mittels des nachgeschalteten Hydrauliksystems betriebspunktabhängig in modifizierter Form auf das Gaswechselventil übertragen werden. Ebenfalls dargestellt ist das elektronische Ansteuermittel zur Ansteuerung des Hydraulikventils, dort in Form eines integrierten Motorsteuergeräts.
Naturgemäß ist das Betriebsverhalten elektrohydraulischer Ventiltriebe in signifikanter Höhe von den Eigenschaften des Hydraulikmittels und dabei insbesondere von dessen momentanem und hauptsächlich temperaturbedingtem Viskositätszustand abhängig. Eine wesentliche Ursache für diese Abhängigkeit liegt in der so- genannten hydraulischen Ventilbremse, die Teil des Hydrauliksystems ist und die bei konventionellen mechanischen Ventiltrieben vorgesehene Ventilschließrampe am Nocken ersetzt. Die hydraulische Ventilbremse hat bekanntlich die Aufgabe, einen von der Nockenerhebung entkoppelten Hub des Gaswechselventils so zu formen, dass das schließende Gaswechselventil den Ventilsitz stets mit mecha- nisch und akustisch akzeptabler Aufsetzgeschwindigkeit erreicht. Gleichzeitig ist die hydraulische Ventilbremse so zu gestalten, dass die den Ladungswechsel der Brennkraftmaschine beeinträchtigenden Soll-Ist-Abweichungen des Gaswechselventil-Schließzeitpunkts minimal sind. Hydraulische Ventilbremsen sind üblicherweise so ausgeführt, dass das vom gaswechselventilseitigen zweiten Hydraulikkolben verdrängte Hydraulikmittel kurz vor dem Schließen des Gaswechselventils eine Drosselstelle passieren muss, deren hydraulischer Widerstand ein Abbremsen des Gaswechselventil- hubs auf die vorgegebene Aufsetzgeschwindigkeit erzeugt. Der Viskosität- Temperaturgang des Hydraulikmittels, dessen Viskosität mit sinkender Temperatur stark zunimmt, begrenzt jedoch die Funktionalität der hydraulischen Ventilbremse auf ein Temperaturfenster in der Weise, dass der Schließzeitpunkt des Gaswechselventils unterhalb einer Grenztemperatur unzulässig stark schwankt und/oder verzögert wird. Im Extremfall erreicht das Gaswechselventil den Ventilsitz gar nicht und bleibt - hinsichtlich des Ladungswechsel- und Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine - in unzulässiger Weise zwischen zwei Umdrehungen der Nockenwelle offen stehen.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung der eingangs genann- ten Art so fortzubilden bzw. ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine anzugeben, dass die Funktionalität der elektrohydraulischen Ventilsteuerung auch bei sehr hoher Viskosität des Hydraulikmittels, d.h. in einem zu tieferen Temperaturen hin erweiterten Temperaturfenster gegeben ist. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig dadurch gelöst, dass das elektronische Ansteuermittel konfiguriert ist, um das Hydraulikventil in Abhängigkeit der betrieblichen Hydraulikmitteltemperatur oder -Viskosität und/oder des betriebli- chen Drucks in der Hydraulikmittelversorgung derart anzusteuern, dass während einer Maschinenbetriebsphase, die eine oder unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle umfasst, lediglich ein vorbestimmtes Teilvolumen des Druckraums mit Hydraulikmittel befüllt ist und sich das Hydraulikventil zumindest während jeder gesamten Erhebungsphase des Nockens in der geschlossenen Stellung befindet.
Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass für eine bestimmte Anzahl von Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine lediglich ein Teilvo- lumen des Druckraums mit Hydraulikmittel befüllt ist und dieses Teilvolumen zumindest während der Nockenerhebungsphase (von unvermeidbaren Leckagen abgesehen) unverändert bleibt. Eine durch gezielte Ansteuerung des Hydraulikventils kontrollierte Absteuerung von Hydraulikmittel aus dem Druckraum erfolgt also in keiner Phase der Nockenerhebung.
Die definierte Voreinstellung des im Druckraum befindlichen Teilvolumens an Hydraulikmittel erfolgt durch einen gezielten Hubverlust des hydraulischen Gestänges während einer oder mehrerer Umdrehungen der Nockenwelle vor der Maschinenbetriebsphase und bewirkt während der Maschinenbetriebsphase, dass das Gaswechselventil bezüglich der Nockenerhebung später öffnet und bei entsprechend reduzierter Hubhöhe früher schließt. Im Falle hochviskosen Hydraulikmittels verbleibt der hydraulischen Ventilbremse zwischen zwei Nockenwellenumdrehungen ein längeres Zeitintervall, in dem das Gaswechsel- ventil sicher den Ventilsitz erreichen kann. Die Menge des Teilvolumens ist im Hinblick auf einen erfolgreichen Ladungswechsel so einzustellen, dass das Gaswechselventil eine minimale Hubhöhe nicht unterschreitet und einen maximalen Schließzeitpunkt nicht überschreitet. Dies gilt auch für den Fall, dass das Hydraulikventil in den Phasen zwischen den Nockenerhebungen geöffnet wird und somit eine Wiederbefüllung des Druckraums mit Hydraulikmittel aus dem Druckentlastungsraum ermöglicht.
Der Erfindung vorausgehende Versuche der Anmelderin haben demgegenüber folgendes gezeigt: ein zyklustreues, d.h. bei jeder Nockenwellenumdrehung erfolgendes Absteuern und Wiederbefüllen des Druckraums mit dem Ziel, den Hub und somit die Öffnungsdauer des Gaswechselventils deutlich zu reduzieren, kann zum einen daran scheitern, dass die hohe Viskosität des Hydraulikmittels eine ausreichend schnelle und vollständige Wiederbefüllung des Druckraums mit Hydraulikmittel aus dem Druckentlastungsraum verhindert. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Druck in der Hydraulikmittelversorgung der Brennkraftmaschine (noch) unzureichend ist. Zum anderen hat das Hydraulikventil die Eigenschaft, bei niedrigen Temperaturen nicht mehr gegen den dann hochviskosen Hydraulikmittelstrom durch den Steuerkanal schließen zu kön- nen. Letzteres verhindert also, dass das Hydraulikventil erst während der in Eingriff befindlichen Nockenerhebung schließt, um ein gegenüber der Nockenerhebung späteres Öffnen und dementsprechend früheres Schließen des Gaswechselventils zu erzeugen.
Aus den vorstehenden Erläuterungen wird deutlich, dass die Erfindung insbesondere eine erfolgreiche Start- und initiale Warmlaufphase der kalten Brennkraftmaschine bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen begünstigt (typischerweise ist auch bei -30°C Umgebungs- und Maschinentemperatur ein er- folgreicher Startvorgang zu gewährleisten), zumal unter solchen Bedingungen der Druckaufbau in der Hydraulikmittelversorgung der Brennkraftmaschine besonders stark verzögert einsetzt. Wie oben erwähnt, kann ein unzureichender Druck in der Hydraulikmittelversorgung der Brennkraftmaschine eine vollständige Wiederbefüllung des Druckraums soweit verhindern, dass während der Nockenerhebungsphase eine kontrollierte Modifizierung oder Reduzierung des Gaswechselventilhubs durch zyklustreues Absteuern von Hydraulikmittel aus dem Druckraum nicht möglich ist. Insbesondere ermöglicht die Erfindung auch bei kaltem, d.h. hochviskosem Hydraulikmittel ein gegenüber der Nockenerhebung späteres Einlassöffnen. Wie vorstehend erläutert, ist dies bei einer her- kömmlichen Ansteuerung des Hydraulikventils nicht möglich, da das Hydraulikventil nicht oder nicht ausreichend schnell gegen hochviskosen Hydraulikmittelstrom im Steuerkanal schließt.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf ihre Anwendung bei kaltem Hydraulikmit- tel beschränkt, sondern kann auch bei anderen Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine zur Anwendung kommen.
Im Sinne der Erfindung kann auf eine zyklustreue Wiederbefüllung des Druckraums zwischen den Nockenerhebungsphasen verzichtet werden, wenn die Wiederbefüllung lediglich dem Ausgleich von unvermeidlichen Spaltleckagen aus dem Druckraum dient und die Leckagen im Falle sehr hoher Hydraulikmittelviskosität vernachlässigbar klein sind. Insoweit kann während der eingangs genannten Maschinenbetriebsphase auch eine Ansteuerung des Hydraulikven- tils in der Weise vorgesehen sein, dass das Hydraulikventil nicht nur während der in Eingriff befindlichen Nockenerhebungsphase, sondern während der gesamten Maschinenbetriebsphase geschlossen bleibt. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der Umdrehungen der Nockenwelle während der Maschinenbetriebsphase in Abhängigkeit der zum Zeitpunkt des Startvorgangs der Brennkraftmaschine ermittelten Hydraulikmitteltemperatur durch das elektronische Ansteuermittel vorbestimmt ist. Parameter für diese vorbestimmte Umdrehungsanzahl ist im wesentlichen die Tempe- ratur des Hydraulikmittels beim Startvorgang, wobei die parameterabhängige Umdrehungsanzahl durch Prüfstandsversuche ermittelt und in einem Kennfeld des elektronischen Ansteuermittels als Steuergröße abgelegt werden kann. Alternativ zu der vorbestimmten Dauer der Maschinenbetriebsphase kann es auch vorgesehen sein, diese Dauer in Abhängigkeit von aktuellen Betriebspa- rametern, insbesondere der Hydraulikmitteltemperatur einzustellen.
Ferner kann die genannte Maschinenbetriebsphase einmal oder, falls erforderlich, auch mehrmals aufeinanderfolgend durchfahren werden. Für den sich daran anschließenden „Normalbetrieb" der elektrohydraulischen Ventilsteue- rung mit zyklustreuer Absteuerung und Wiederbefüllung des Druckraums soll das elektronische Ansteuermittel konfiguriert sein, das Hydraulikventil derart anzusteuern, dass während einer der Maschinenbetriebsphase folgenden weiteren Maschinenbetriebsphase, die unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle umfasst, der Druckraum vor jeder Erhebungsphase des Nockens zumindest nahezu vollständig mit Hydraulikmittel wiederbefüllt ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das elektronische Ansteuermittel konfiguriert ist, das Hydraulikventil in Abhängigkeit der betrieblichen Hydraulikmitteltemperatur oder - Viskosität und/oder des betrieblichen Drucks in der Hydraulikmittelversorgung anzusteuern, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind, die zeitlich aufeinanderfolgen: Offnen des Hydraulikventils zu einem Zeitpunkt innerhalb der Erhebungsphase des Nockens und Schließen des Hydraulikventils zu einem Zeitpunkt derart, dass lediglich ein vorbestimmtes Teilvolumen des Druckraums mit Hydraulikmittel befüllt ist, und
Halten des Hydraulikventils in der geschlossenen Stellung während einer Maschinenbetriebsphase, die eine oder unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle umfasst, wobei sich das Hydraulikventil zumindest während jeder gesamten Erhebungsphase des Nockens in der geschlossenen Stellung befindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be Schreibung und aus den Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine zeitliche Sequenz von Erhebungen des Nockens und des Gas wechselventils mit zugehörigen Stromverläufen am Hydraulikventil;
Figur 2 eine zeitliche Sequenz entsprechend Figur 1 , wobei sich das Hyd- raulikventil während der gesamten Maschinenbetriebsphase in der geschlossenen Stellung befindet;
Figur 3 die Erhebung des Nockens und des Gaswechselventils während der
Maschinenbetriebsphase in vergrößerter Darstellung und
Figur 4 eine Prinzipdarstellung der elektrohydraulischen Ventilsteuerung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die in Figur 4 dargestellte Prinzipdarstellung einer an sich bekannten elektrohydraulischen Ventilsteuerung 1 . Die Ventilsteuerung 1 dient zum hubvariablen Antrieb eines in Schließrichtung durch eine Ventilfeder 2 kraftbeaufschlagten Gaswechselventils 3 einer Brennkraft- maschine 4 und umfasst als wesentliche Bauteile einen Nocken 5 einer Nockenwelle 6, einen vom Nocken 5 hier mittels eines Tassenstößels 7 angetriebenen ersten Hydraulikkolben 8, einen das Gaswechselventil 3 in dessen Öffnungsrichtung antreibenden zweiten Hydraulikkolben 9, einen zwischen dem ersten Hydraulikkolben 8 und dem zweiten Hydraulikkolben 9 verlaufenden Druckraum 10 mit veränderlichem Volumen und einen Druckentlastungsraum 1 1 , der mit dem Druckraum 10 über einen Steuerkanal 12 verbunden ist und einen federbelasteten Druckspeicher 13 umfasst. Das im Antriebssinn zwischen der Nockenwelle 6 und dem Gaswechselventil 3 angeordnete Hydraulik- System ist an eine Hydraulikmittelversorgung 14 der Brennkraftmaschine, hier deren Schmiermittelkreislauf angeschlossen.
Im Steuerkanal 12 ist ein elektrisch angesteuertes Hydraulikventil 15 in der Bauart eines 2/2-Wege-Schaltventils angeordnet, das in dessen stromlos ge- öffneter Stellung einen Hydraulikmittelfluss durch den Steuerkanal 12 zulässt und in dessen bestromt geschlossener Stellung sperrt. Die elektrische Ansteu- erung des Hydraulikventils 15 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 4 erfolgt über ein elektronisches Ansteuermittel 16 als integrierter Bestandteil des Motorsteuergeräts.
Die an sich bekannte Funktionsweise der Ventilsteuerung 1 lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass das im Druckraum 10 befindliche Hydraulikmittel als hydraulisches Gestänge wirkt, wobei die vom Nocken 5 vorgegebene Erhebung bei geschlossenem Hydraulikventil 15 auf das Gaswechselventil 3 über- tragen wird und bei geöffnetem Hydraulikventil 15 teilweise oder ganz in den Druckentlastungsraum 1 1 abgesteuert wird. Die hydraulische Entkopplung der Nockenerhebung und des Gaswechselventilhubs erfordert eine hydraulische Ventilbremse 17, die das vom zweiten Hydraulikkolben 9 zurückverdrängte Hydraulikmittel drosselt und so das schließende Gaswechselventil 3 auf eine mechanisch und akustisch akzeptable Aufsetzgeschwindigkeit am Ventilsitz 18 abbremst.
In den Figuren 1 und 2 ist jeweils in einer zeitlichen Sequenz dargestellt, wie das stromlos geöffnete Hydraulikventil 15 während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine 4 bei einer Umgebungs- und Maschinentemperatur deutlich unter 0°C bei entsprechend hochviskosem Hydraulikmittel angesteuert wird und welche Hübe 19 sich dabei am Gaswechselventil 3 relativ zur Nockener- hebung 20 einstellen. In den Diagrammen sind der Stromverlauf 21 am Hydraulikventil 15 jeweils unten und der Hub 19 des Gaswechselventils 3 bzw. die Nockenerhebung 20 oben dargestellt.
Figur 1 : im Verlauf der ersten Nockenerhebung 20 wird das bestromte Hydrau- likventil 15 stromlos geschaltet, so dass bei dann geöffnetem Steuerkanal 12 ein Teil des im Druckraum 10 befindlichen Hydraulikmittels in den Druckentlastungsraum 1 1 verdrängt und dementsprechend die Nockenerhebung 20 nur teilweise auf das Gaswechselventil 3 übertragen wird. Die Zeitpunkte, zu denen die Bestromung 21 des Hydraulikventils 15 abgeschaltet und anschließend wieder angeschaltet wird, und das dementsprechende Zeitintervall, in dem das Hydraulikventil 15 geöffnet ist und eine Wiederbefüllung des Druckraums 10 zulässt, sind so bemessen, dass zu Beginn der zweiten Nockenerhebung lediglich ein vorbestimmtes Teilvolumen des Druckraums 10 mit Hydraulikmittel befüllt ist. Dies führt in Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerung des Hyd- raulikventils 15 dazu, dass in der nachfolgenden Maschinenbetriebsphase die vom Nockenerhebung 20 nur teilweise auf das Gaswechselventil 3 übertragen wird, und ist deutlich erkennbar an dem späten Öffnungs- und frühen Schließzeitpunkt sowie dem kleineren Maximalhub 19 des Gaswechselventils 3, jeweils bezogen auf die Nockenerhebung 20. Die Dauer der Maschinenbetriebs- phase umfasst die Umdrehungen 2 bis n der Nockenwelle 6. Die Ansteuerung des Hydraulikventils 15 erfolgt in der Weise, dass zum einen das Hydraulikventil 15 während jeder gesamten Nockenerhebungsphase 20 bestromt wird und folglich dabei durchgehend geschlossen bleibt. Zum anderen sind die Zeitintervalle zwischen den Nockenerhebungen 20, in denen das Hydraulikventil 15 nicht bestromt und folglich geöffnet ist, so bemessen, dass trotz möglicher Wiederbefüllung des Druckraums 10 lediglich ein Teilvolumen mit vorbestimmter maximaler Hydraulikmittelmenge darin enthalten ist. Wie oben erläutert, bewegt sich der jeweils nachfolgende Gaswechselventilhub 19 in den vorgege- benen Grenzen der minimal erforderlichen Hubhöhe h-min und des maximal zulässigen Schließzeitpunkts a-max, wie es in Figur 3 vergrößert dargestellt ist. Die vom elektronischen Ansteuermittel 16 vorbestimmte Anzahl der Umdrehungen der Nockenwelle 6 während der Maschinenbetriebsphase ist abhängig von der Temperatur des Hydraulikmittels beim Startvorgang der Brennkraftmaschine 4. Im Falle der von der Anmelderin untersuchten Prüfstands-Hardware wurden bei einer Hydraulikmitteltemperatur von -20°C 40 Umdrehungen und von - 30°C 120 Umdrehungen als optimal ermittelt.
Nach Abschluss der initialen Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 4, d.h. nach der Maschinenbetriebsphase mit den Nockenerhebungen 2 bis n wird das Hydraulikventil 15 zwischen der n-ten und η+1 -ten Nockenerhebung 20 so bestromt, dass der Druckraum 10 vollständig mit Hydraulikmittel wiederbefüllt werden kann. Das elektronische Ansteuermittel 16 ist so konfiguriert, dass dies auch für alle weiteren Umdrehungen der Nockenwelle 6 während der nachfolgenden weitere Maschinenbetriebsphase gilt, die mit der η+1 -ten Nockenerhebung 20 beginnt und in der das Hydraulikventil 15 auch während der Nocken- erhebungsphase 20 geschlossen und geöffnet wird, um in bekannter Weise die Hubvariabilität am Gaswechselventil 3 zu erzeugen.
Figur 2: der wesentliche Unterschied gegenüber der Sequenz gemäß Figur 1 besteht in der Ansteuerung des Hydraulikventils 15 während der Maschinenbe- triebsphase mit den Umdrehungen 2 bis n der Nockenwelle 6. In diesem Fall wird auf die Möglichkeit einer zyklustreuen Teilwiederbefüllung des Druckraums 10 zwischen den Nockenerhebungsphasen 20 verzichtet, indem das Hydraulikventil 15 während der gesamten Maschinenbetriebsphase bestromt wird (Stromverlauf 21 bei Umdrehungen 2 bis n der Nockenwelle 6) und folglich permanent geschlossen bleibt. Dies ist dann zweckmäßig, wenn eine Wiederbefüllung des Druckraums 10 lediglich dem Ausgleich von unvermeidlichen Spaltleckagen aus dem Druckraum 10 dient und die Leckagen im Falle sehr hoher Hydraulikmittelviskosität vernachlässigbar klein sind. Liste der Bezugszahlen
1 Ventilsteuerung
2 Ventilfeder
3 Gaswechselventil
4 Brennkraftmaschine
5 Nocken
6 Nockenwelle
7 Tassenstößel
8 erster Hydraulikkolben
9 zweiter Hydraulikkolben
10 Druckraum
1 1 Druckentlastungsraum
12 Steuerkanal
13 Druckspeicher
14 Hydraulikmittelversorgung
15 Hydraulikventil
16 elektronisches Ansteuermittel
17 hydraulische Ventilbremse
18 Ventilsitz
19 Gaswechselventilhub
20 Nockenerhebung
21 Stromverlauf am Hydraulikventil

Claims

1 Patentansprüche
Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung (1 ) zum hubvariablen Antrieb eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Gaswechselventils (3), umfassend eine Nockenwelle (6) und ein im Antriebssinn zwischen der Nockenwelle (6) und dem Gaswechselventil (3) angeordnetes Hydrauliksystem, das an eine Hydraulikmittelversorgung (14) der Brennkraftmaschine (4) angeschlossen ist und folgendes aufweist:
- einen von einem Nocken (5) der Nockenwelle (6) angetriebenen ersten Hydraulikkolben (8) und einen das Gaswechselventil (3) in Öffnungsrichtung antreibenden zweiten Hydraulikkolben (9),
- einen von dem ersten Hydraulikkolben (8) und dem zweiten Hydraulikkolben (9) begrenzten Druckraum (10) mit veränderlichem Volumen und einen den Druckraum (10) mit einem Druckentlastungsraum (1 1 ) verbindenden Steuerkanal (12),
- ein im Steuerkanal (12) angeordnetes, elektrisch angesteuertes Hydraulikventil (15), das einen Hydraulikmittelfluss durch den Steuerkanal (12) in geöffneter Stellung des Hydraulikventils (15) zulässt und in geschlossener Stellung des Hydraulikventils (15) sperrt,
und umfassend ein elektronisches Ansteuermittel (16) zur Ansteuerung des Hydraulikventils (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (4), dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Ansteuermittel (16) konfiguriert ist, das Hydraulikventil (15) in Abhängigkeit der betrieblichen Hydraulikmitteltemperatur oder -Viskosität und/oder des betrieblichen Drucks in der Hydraulikmittelversorgung (14) derart anzusteuern, dass während einer Maschinenbetriebsphase, die eine oder unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle (6) umfasst, lediglich ein vorbestimmtes Teilvolumen des Druckraums (10) mit Hydraulikmittel befüllt ist und sich das Hydraulikventil (15) zumindest während jeder gesamten Erhebungsphase (20) des Nockens (5) in der geschlossenen Stellung befindet. 2
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Hydraulikventil (15) während der gesamten Maschinenbetriebsphase in der geschlossenen Stellung befindet.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenbetriebsphase einen Startvorgang der Brennkraftmaschine (4) umfasst.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (4) zum Zeitpunkt des Startvorgangs Umgebungstemperatur aufweist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Umdrehungen der Nockenwelle (6) während der Maschinenbetriebsphase in Abhängigkeit der zum Zeitpunkt des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (4) ermittelten Hydraulikmitteltemperatur durch das elektronische Ansteuermittel (16) vorbestimmt ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Ansteuermittel (16) konfiguriert ist, das Hydraulikventil (15) derart anzusteuern, dass während einer der Maschinenbetriebsphase folgenden weiteren Maschinenbetriebsphase, die unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle (6) umfasst, der Druck- räum (10) vor jeder Erhebungsphase (20) des Nockens (5) zumindest nahezu vollständig mit Hydraulikmittel wiederbefüllt ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung (1 ) zum hubvariablen Antrieb eines in Schließrichtung fe- derkraftbeaufschlagten Gaswechselventils (3), umfassend eine Nockenwelle (6) und ein im Antriebssinn zwischen der Nockenwelle (6) und dem Gaswechselventil (3) angeordnetes Hydrauliksystem, das an eine Hydrau- 3 likmittelversorgung (14) der Brennkraftmaschine (4) angeschlossen ist und folgendes aufweist:
- einen von einem Nocken (5) der Nockenwelle (6) angetriebenen ersten Hydraulikkolben (8) und einen das Gaswechselventil (3) in Öffnungs- richtung antreibenden zweiten Hydraulikkolben (9),
- einen von dem ersten Hydraulikkolben (8) und dem zweiten Hydraulikkolben (9) begrenzten Druckraum (10) mit veränderlichem Volumen und einen den Druckraum (10) mit einem Druckentlastungsraum (1 1 ) verbindenden Steuerkanal (12),
- ein im Steuerkanal (12) angeordnetes, elektrisch angesteuertes Hydraulikventil (15), das einen Hydraulikmittelfluss durch den Steuerkanal (12) in geöffneter Stellung des Hydraulikventils (15) zulässt und in geschlossener Stellung des Hydraulikventils (15) sperrt,
und umfassend ein elektronisches Ansteuermittel (16) zur Ansteuerung des Hydraulikventils (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine (4), dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Ansteuermittel (16) konfiguriert ist, das Hydraulikventil (15) in Abhängigkeit der betrieblichen Hydraulikmitteltemperatur oder -Viskosität und/oder des betrieblichen Drucks in der Hydraulikmittelversorgung (14) anzusteuern, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind, die zeitlich aufeinanderfolgen:
- Öffnen des Hydraulikventils (15) zu einem Zeitpunkt innerhalb der Erhebungsphase (20) des Nockens (5) und Schließen des Hydraulikventils (15) zu einem Zeitpunkt derart, dass lediglich ein vorbestimmtes Teilvolumen des Druckraums (10) mit Hydraulikmittel befüllt ist, und
- Halten des Hydraulikventils (15) in der geschlossenen Stellung während einer Maschinenbetriebsphase, die eine oder unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle (6) umfasst, wobei sich das Hydraulikventil (15) zumindest während jeder gesamten Erhe- bungsphase (20) des Nockens (5) in der geschlossenen Stellung befindet. 4
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während einer der Maschinenbetriebsphase folgenden weiteren Maschinenbetriebsphase, die unmittelbar aufeinanderfolgende Umdrehungen der Nockenwelle (6) umfasst, das Hydraulikventil (15) so angesteuert wird, dass der Druckraum (10) vor jeder Erhebungsphase (20) des Nockens (5) zumindest nahezu vollständig mit Hydraulikmittel wiederbefüllt wird.
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