EP2510201B1 - Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer ventilsteuerung und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer ventilsteuerung und verfahren zum betrieb der brennkraftmaschine Download PDF

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EP2510201B1
EP2510201B1 EP10787355.6A EP10787355A EP2510201B1 EP 2510201 B1 EP2510201 B1 EP 2510201B1 EP 10787355 A EP10787355 A EP 10787355A EP 2510201 B1 EP2510201 B1 EP 2510201B1
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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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EP10787355.6A
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EP2510201A1 (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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    • 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 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 is the so-called hydraulic valve brake, which is part of the hydraulic system and replaces the valve closing ramp provided on conventional cams with 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 so that the displaced by the gas exchange valve side second hydraulic piston hydraulic fluid just before closing the gas exchange valve must pass a throttle point whose hydraulic resistance slows down the Gascicventilhubs generated to the predetermined Aufsetzieri.
  • 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 an upper limit temperature fluctuates and / or delayed excessively.
  • the gas exchange valve does not reach the valve seat and remains - in terms of the charge cycle and combustion process of the engine - in an inadmissible standing between two revolutions of the camshaft.
  • the present invention is therefore based on the object, so to train an internal combustion engine with electro-hydraulic valve control of the type mentioned above or to provide a method for operating the internal combustion engine, that the functionality of the electro-hydraulic valve control even at very high viscosity of the hydraulic fluid, i. is given in an extended to lower temperatures towards temperature window.
  • the electronic drive 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 an engine operating phase the one or immediately successive revolutions of 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.
  • highly viscous hydraulic fluid of the hydraulic valve brake between two camshaft revolutions remains 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 in particular favors a successful start and initial warm-up phase of the cold 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 in the case of conventional actuation of the hydraulic valve, since the hydraulic valve does not close or does not close sufficiently fast against high-viscosity hydraulic fluid flow in the control passage.
  • the invention is not limited only to its application with cold hydraulic fluid, 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.
  • a control of the hydraulic valve be provided in such a way that the hydraulic valve remains closed not only during the engaged cam lift 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 substantially 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 map of the electronic control means as a control variable.
  • the predetermined duration of the engine operating phase it may 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 phase following another engine operating phase, which includes immediately successive revolutions of the camshaft, the pressure space before each elevation phase of the cam is at least almost completely refilled with hydraulic fluid.
  • the valve control 1 is used for variable-stroke drive in the closing direction by a valve spring 2 kraftbeaufschlagten gas exchange valve 3 of an internal combustion engine 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 chamber 11 which is connected to the pressure chamber 10 via a control channel 12 and includes a spring-loaded pressure accumulator 13.
  • 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 normally open position a hydraulic fluid flow through the control channel 12 and locks in its energized closed position.
  • the electrical control of the hydraulic valve 15 as a function of operating parameters of the internal combustion engine 4 via an electronic control means 16 as an integral part of the engine control unit.
  • valve control 1 The known operation of the valve control 1 can be summarized to the effect that the hydraulic medium in the pressure chamber 10 acts as a hydraulic linkage, wherein the predetermined by the cam 5 survey is transmitted with closed hydraulic valve 15 to the gas exchange valve 3 and with open hydraulic valve 15 partially or completely is diverted into the pressure relief chamber 11.
  • 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 In the course of 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 transmitted to the gas exchange valve 3.
  • 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 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 dockventilhub 19 moves in the predetermined Limits of the minimum required lifting height h-min and the maximum allowable closing time ⁇ -max, as in FIG. 3 is shown enlarged.
  • 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.
  • 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.
  • 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 n-th and n + 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 begins with the n + 1 th cam lobe 20 and in which the hydraulic valve 15 is closed and opened during the cam lift phase 20 is to produce the stroke variability on the gas exchange valve 3 in a known manner.
  • FIG. 2 the essential difference from the sequence according to FIG. 1 is in the control of the hydraulic valve 15 during the engine operating phase with the revolutions 2 to n of the camshaft 6.
  • the possibility of a cycle-faithful partial refilling of the pressure chamber 10 between the cam lift phases 20 is omitted by the hydraulic valve 15 is energized during the entire engine operating phase ( Current curve 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

    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 Hydrauliksystem, 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 Teilvolumen 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 Patentliteratur 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 Hubkurven, 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. Die Druckschrift EP1344900 A2 offenbart auch eine Brennkraftmaschine mit einem elektrohydraulischen Ventiltrieb.
  • 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 sogenannten 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 mechanisch 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 Gaswechselventilhubs 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 genannten 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 betrieblichen 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 Teilvolumen 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 Gaswechselventil 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 können. 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 erfolgreicher 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 herkömmlichen 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 Hydraulikmittel 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 Hydraulikventils 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 Temperatur 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 Betriebsparametern, 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 Ventilsteuerung 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:
    • Öffnen 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 Beschreibung und aus den Zeichnungen. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine zeitliche Sequenz von Erhebungen des Nockens und des Gaswechselventils mit zugehörigen Stromverläufen am Hydraulikventil;
    Figur 2
    eine zeitliche Sequenz entsprechend Figur 1, wobei sich das Hydraulikventil 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 Brennkraftmaschine 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 11, 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 Hydrauliksystem 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 geöffneter Stellung einen Hydraulikmittelfluss durch den Steuerkanal 12 zulässt und in dessen bestromt geschlossener Stellung sperrt. Die elektrische Ansteuerung 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 übertragen wird und bei geöffnetem Hydraulikventil 15 teilweise oder ganz in den Druckentlastungsraum 11 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 Nockenerhebung 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 Hydraulikventil 15 stromlos geschaltet, so dass bei dann geöffnetem Steuerkanal 12 ein Teil des im Druckraum 10 befindlichen Hydraulikmittels in den Druckentlastungsraum 11 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 Hydraulikventils 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 Maschinenbetriebsphase 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 vorgegebenen Grenzen der minimal erforderlichen Hubhöhe h-min und des maximal zulässigen Schließzeitpunkts α-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 n+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 n+1-ten Nockenerhebung 20 beginnt und in der das Hydraulikventil 15 auch während der Nockenerhebungsphase 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 Maschinenbetriebsphase 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
    11
    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 (8)

  1. 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 (11) 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. 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 Druckraum (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 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 (11) 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 Erhebungsphase (20) des Nockens (5) in der geschlossenen Stellung befindet.
  8. 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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