DE10000236C1 - Verfahren zum Bestimmen des maximalen Ventilhubs - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung des Ventilhubs bei einer Brennkraftmaschine mit maximalem Ventilhub wird das Ventilhubsignal abgetastet. Bei Erkennen eines Maximalwertes wird aus diesem und benachbarten Werten ein Mittelwert gebildet, der dann mittels eines Korrekturfaktors in den maximalen Ventilhub umgesetzt wird. Der Korrekturfaktor wird vorzugsweise aus einem Kennfeld erhalten, in das der Maximalwert und die Drehzahl Eingang finden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des maxi­ malen Ventilhubes bei einer Brennkraftmaschine.

Bei konventionellen Otto-Brennkraftmaschinen mit Drosselklap­ pensteuerung entspricht Vollast dem Zustand, in dem volle Drosselklappenöffnung erreicht ist. Es sind aber auch Vor­ richtungen zur variablen Steuerung der Ventile von Brenn­ kraftmaschinen bekannt, bei denen der Hub und die Öffnungs­ dauer der Einlaßventile verändert werden können. Mit solchen Vorrichtungen kann die Drosselung einer Otto- Brennkraftmaschine über die variable Hubsteuerung der Einlaß­ ventile erfolgen. Die Nockenwellenverstellung ermöglicht es somit, Ladungswechsel und Drosselverluste in der Brennkraft­ maschine zu verringern. Bei dieser Laststeuerung durch Ein­ stellung des Ventilhubs hat die Nockenwellenverstellung we­ sentlichen Einfluß auf das von der Brennkraftmaschine abgege­ bene Drehmoment, da die pro Zylinderhub der Brennkraftmaschi­ ne angesaugte Luftmenge nun durch den Ventilhub bestimmt wird. Es ist deshalb zum optimalen Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine notwendig, den maximalen Ventilhub der Einlaßventile bei jedem Ventilerhebungsvorgang zuverlässig zu erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des maximalen Ventilhubs bei einer Brennkraftma­ schine mit variablem Ventilhub anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das Verfahren sieht vor, die aktuelle Ventilstellung in einem bestimmten Zeitraster zu messen. Dabei wird jeder aktuelle Meßwert daraufhin geprüft, ob ein neuer Maximalwert vorliegt. Dieser wird in einen Speicher vorgehalten. Dies erfolgt so­ lange, bis festgestellt wurde, daß ein Ventilerhebungsvorgang abgeschlossen ist. Der dann gespeicherte Maximalwert ist der absolut größte Meßwert, der während dieses Ventilerhebungs­ vorganges gemessen wurde. Da allerdings das Meßsignal zum Teil sehr stark verrauscht ist, ist dieser Wert für sich so nicht tauglich, da sich rauschbedingt erhebliche Abweichungen ergeben können. Deshalb wird aus dem Maximalwert und einer gewissen Anzahl von zuvor und danach gemessenen Meßwerten ein Mittelwert errechnet. Dazu muß man natürlich nicht nur den Maximalwert abspeichern, sondern auch entsprechende Meßwerte in dessen Umgebung. Aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine und dem Maximalwert oder dem Mittelwert wird nun ein Korrek­ turwert bestimmt, mit dem aus dem Mittelwert der maximale, Ventilhub berechnet wird. Der so berechnete Ventilhub ist sehr viel genauer als der rauschbeeinflußte Maximalwert, da die Mittelwertbildung das Rauschen stark mindert. Die Diffe­ renz zwischen dem Mittelwert und dem maximalen Ventilhub wird durch den Korrekturfaktor ausgeglichen.

Dieses Verfahren hat gegenüber einer normalen peak-and-hold- Schaltung mehrere Vorteile: Zum einen wirkt sich Rauschen aufgrund der Mittelwertbildung sehr viel geringer aus. Zum anderen entfällt der Schaltungsaufwand für die peak-and-hold- Schaltung. Schließlich ist die Störungsempfindlichkeit des Verfahrens sehr viel geringer als die einer peak-and-hold- Schaltung, die bekanntermaßen auf energiereiche Einkopplungen bzw. Einstrahlungen mitunter sehr stark reagiert.

Bei der Durchführung des Verfahrens erfolgt die Mittelwert­ bildung aus dem Maximalwert und dessen Nachbarwerten dann, wenn festgestellt wurde, daß ein Ventilerhebungsvorgang abge­ schlossen ist. Dies kann beispielsweise durch Auslesen eines entsprechenden Kurbelwellensignals erfolgen. Vorzugsweise ist es aber auch möglich, aus der Ventilstellungsmessung selbst zu ermitteln, wann der Ventilerhebungsvorgang abgeschlossen ist. Dazu wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Ver­ fahrens bei jeder Messung der aktuellen Ventilstellung ein Zähler inkrementiert, der Zeiteinheiten oder Kurbelwellengra­ de zählt. Bei jedem Vergleich, der einen neuen Maximalwert ergibt, wird der Zähler auf Null zurückgesetzt. Überschreitet nun der Zähler einen vorgegebenen Zählerstand, bedeutet das, daß für eine gewisse Zeitdauer oder einen gewissen Kurbel­ wellenweg kein neuer Maximalwert festgestellt wurde. Man kann somit ab einem gewissen Zählerstand sicher davon ausgehen, daß ein Ventilerhebungsvorgang abgeschlossen ist.

Zur Mittelwertbildung ist es vorteilhaft, ständig ein En­ semble von Meßwerten zu speichern, vorzugsweise eine ungerade Anzahl. Speichert man dieses Ensemble in Art eines Schiebere­ gisters, kann man ständig den mittleren Meßwert als aktuellen Meßwert zum Vergleich verwenden und hat zugleich die Nachbar­ werte zur Mittelwertbildung sofort zur Hand.

Das Zeitraster, in dem die aktuelle Ventilstellung gemessen wird, kann fest, aber auch drehzahlabhängig gewählt werden. Vorzugsweise wird bei der Wahl des Zeitrasters sicherge­ stellt, daß auch bei Maximaldrehzahl und Minimalhubeinstel­ lung eine Mindestanzahl von Meßwerten, beispielsweise 5, einen Ventilerhebungsvorgang abdecken, d. h. daß diese Min­ destanzahl von Meßwerten im Bereich eines Ventilerhebungsvor­ ganges liegt. Diese Mindestanzahl sollte dann auch zur Mit­ telwertbildung herangezogen werden.

Möchte man den maximalen Ventilhub mit größerer Genauigkeit bestimmen, kann man das Verfahren über mehrere Ventilerhe­ bungsvorgänge durchführen und die jeweils ermittelten maxima­ len Ventilhübe mitteln. Dazu sollte allerdings sichergestellt sein, daß der maximale Ventilhub sich nicht stark ändert. Dies ist beispielsweise bei einem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine gegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 unterschiedliche Ventilerhebungskurven für ein Gas­ wechselventil mit verstellbarem maximalen Ventil­ hub,

Fig. 2 eine beispielhafte Zeitreihe eines den Ventilhub abfühlenden Sensors mit einzelnen abgetasteten Meßwerten der aktuellen Ventilstellung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Verfahrensschrittes.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das eine Brennkraftmaschine mit variablem Ventil­ hub zugrundelegt, wie er aus der DE 42 44 550 A1 bekannt ist. Dabei ist für das Verständnis dieses Beispiels nur erforder­ lich, daß der Ventilhub, mechanisch verstellbar ist. Die un­ terschiedlichen Ventilerhebungskurven für das Gaswechselven­ til sind beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Ein auf der y- Achse aufgetragenes Ventilhubsignal V ist dabei über dem Kur­ belwellenwinkel w aufgetragen. Es kommt im Folgenden aber nicht darauf an, ob das Ventilhubsignal V betrachtet wird, oder der daraus abgeleitete Ventilhub, da diese stetig inein­ ander überführbar sind. Wie zu sehen ist, durchläuft je nach eingestelltem maximalem Ventilhub das Gaswechselventil eine andere Ventilerhebungskurve. Dabei endet die Ventilerhebung bei kleinen maximalen Ventilhüben früher, d. h. zu früheren Kurbelwellenwinkeln w. Wie die Kurvenschar zeigt, ist der ma­ ximale Ventilhub eine eindeutig beschreibende Größe für eine Ventilerhebungskurve.

Fig. 2 zeigt den Ventilhub als Zeitreihe für zwei aufeinan­ derfolgende Ventilerhebungen in einer Kurve 1. Dabei ist in Fig. 2 das Ventilhubsignal V über der Zeit t aufgetragen.

Das Ventilhubsignal wird nun in einem festen Zeitraster im 200 µs-Abstand abgetastet. Beispielhafte Abtastwerte sind mit M0 bis M4 eingetragen.

Kurve 1 zeigt zwei aufeinanderfolgende Ventilerhebungen. Die erste Ventilerhebung, an der die Abtastwerte M0 bis M4 einge­ tragen sind, stellt eine relativ große Ventilerhebung nahe des maximalen möglichen Ventilhubes dar. Die zweite Ventiler­ hebung soll einen maximalen Ventilhub bei Minimalhubeinstel­ lung zeigen. Wie eingetragen ist, beträgt das maximale Ven­ tilhubsignal in diesem Fall etwa 10 mV. Der Maximalwert des Ventilhubsignals beträgt dagegen 5 V. Allein aus diesem Ver­ hältnis ist leicht ersichtlich, daß das Signal/Rausch- Verhältnis des abzutastenden Ventilhubsignals V extrem un­ terschiedliche Werte annehmen kann. Da eine Brennkraftmaschi­ ne eine aus Sicht elektromagnetischer Störungen anspruchsvol­ le Umgebung darstellt, kann das Signal/Rausch-Verhältnis zwischen 1 : 1 bei sehr kleiner Ventilhubeinstellung und 20 : 1 bei sehr großer Ventilhubeinstellung schwanken. Dies verdeut­ licht, daß das Rauschen bei der Bestimmung des aktuellen ma­ ximalen Ventilhubes mitunter eine wesentliche Rolle spielt.

Das zur Bestimmung des Ventilhubes und damit des Spitzenwer­ tes der Zeitreihe in Kurve 1 verwendete Verfahren ist im Flußdiagramm der Fig. 3 näher dargestellt.

Nach Start des Verfahrens in Schritt S1 wird in Schritt S2 das Ventilhubsignal abgetastet und gespeichert. In Schritt S3 wird geprüft, ob der aktuell abgespeicherte Wert ein neuer Maximalwert Vmax ist. Ist dies der Fall, wird mit Schritt S6 fortgefahren, ansonsten wird zu Schritt S4 gesprungen.

Wurde kein neuer Maximalwert Vmax ermittelt, so wird in Schritt S4 ein Zähler inkrementiert, der beim Start in Schritt S1 geeignet initialisiert, beispielsweise auf Null gesetzt würde. Danach wird in Schritt S5 geprüft, ob der Zäh­ lerwert einen Schwellenwert überschritten hat. Ist dies der Fall, wird mit Schritt S8 weitergefahren, ansonsten wird vor Schritt S2 zurückgesprungen, und der nächste Abtastwert des Ventilhubsignals gewonnen. Hat der Zähler einen Schwellenwert überschritten, wird in Schritt S8 der Mittelwert über den ma­ ximalen Abtastwert und dessen Nachbarn gebildet. Dazu werden beispielsweise die N vor dem Maximalwert Vmax liegenden und die N nach dem Maximalwert Vmax liegenden Abtastwerte mit dem Maximalwert Vmax aufaddiert und durch (2N + 1) dividiert. In der Zeitreihe der Fig. 2 wären dies beispielsweise die Ab­ tastwerte M0 und M1 als vor dem Maximalwert M2 bzw. Vmax lie­ gende Werte und die Abtastwerte M3 und M4 als danach liegende Abtastwerte.

Der so erhaltene Mittelwert <M< ist natürlich kleiner als der tatsächliche maximale Ventilhub, wie es die gestrichelte Li­ nie in Fig. 2 veranschaulicht. Zur Korrektur werden deshalb als nächstes in Schritt S9 der Maximalwert Vmax oder der Mit­ telwert <M< und die Drehzahl D der Brennkraftmaschine in ein Kennfeld eingegeben. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Das Kennfeld 2 enthält einen Korrekturfaktor F über dem Maximal­ wert Vmax oder dem Mittelwert <M< und der Drehzahl D der Brennkraftmaschine aufgespannt. Der solchermaßen in Schritt S9 dem Kennfeld 2 entnommene Korrekturfaktor F wird in Schritt S10 mit dem Mittelwert <M< multipliziert, was den ma­ ximalen Ventilhub liefert.

Die Multiplikation mit dem Korrekturfaktor F korrigiert somit den Abstand, der in Fig. 2 zwischen der gestrichelten Linie des Mittelwerts <M< und dem tatsächlichen Maximalwert der Kurve 1 liegt. Das Kennfeld 2 enthält dazu den Zusammenhang zwischen dem Mittelwert <M< einer Ventilerhebung und dem Maxi­ malwert Vmax. Es kann deshalb neben der Drehzahl entweder den Mittelwert <M< oder den Maximalwert Vmax als Eingangsgröße verarbeiten. Auch kann man in das Kennfeld 2 der Fig. 4 an­ stelle des Maximalwertes Vmax einen der Nachbarwerte selbst eingeben. Das Kennfeld 2 muß dann natürlich anders ausgelegt sein, gibt aber in jedem Fall den gleichen Wirkungszusammen­ hang wieder. Dabei ist im Kennfeld 2 die Drehzahl D deswegen berücksichtigt, weil die Ventilerhebung beispielsweise der Fig. 1a priori als Ventilhubsignal V über dem Kurbelwellenwinkel w bekannt ist, die Messung und Abtastung aber über der Zeit t erfolgt, wie die Auftragung der Fig. 2 verdeutlicht.

Wurde der maximale Ventilhub in Schritt S10 berechnet, wird er darauf in Schritt S11 abgespeichert und danach der Maxi­ malwert Vmax zurückgesetzt. Anschließend wird vor Schritt S2 zurückgesprungen und ein erneutes Ventilhubsignal abgetastet.

Für den Fall, daß die Abfrage in Schritt S3 ergab, daß der aktuell abgetastete Wert größer als der bislang gespeicherte Maximalwert Vmax war, wird in Schritt S6 der aktuelle Abtast­ wert als neuer Maximalwert Vmax gespeichert. Anschließend wird in Schritt S7 der Zähler wieder zurückgesetzt. Danach wird vor Schritt S2 zurückgesprungen und ein erneutes Ventil­ hubsignal abgetastet.

Der Verfahrensablauf ist so abgestimmt, daß die Ventilhubsig­ nalabtastung in einem Zeitraster erfolgt, das so engmaschig ist, beispielsweise mit 5 kHz-Frequenz abläuft, daß sicher mindestens 5 Abtastwerte im Bereich eines Ventilerhebungsvor­ ganges liegen. Dabei muß das Zeitraster so gewählt sein, daß auch für einen in der Zeitdarstellung sehr kurzen Ventilerhe­ bungsvorgang, wie er beispielsweise bei hohen Drehzahlen und sehr kleinem Ventilhub auftritt, noch ausreichend viele Ab­ tastwerte über einem Ventilerhebungsvorgang liegen. Systemim­ manent kann der Ventilhub stetig bis auf Null eingestellt werden. Allerdings wird dieser Bereich im Betrieb in der Re­ gel nicht voll ausgenützt und ein kleinster Ventilhub bei Leerlauf eingestellt, der noch deutlich von Null verschieden ist. Das Zeitraster sollte deshalb so gewählt werden, daß ein Ventilhub mit 1/10 des Leerlaufventilhubes noch mit ausrei­ chend, z. B. fünf Abtastwerten erfaßt wird. Die Darstellung des zweiten Ventilerhebungsvorgangs der Fig. 2 ist deshalb nur exemplarisch zu sehen, da das ebenfalls eingetragene Zeitraster für diesen Ventilerhebungsvorgang diese Anforde­ rung nicht mehr erfüllt. Die Fig. 2 ist deshalb nur zur Ver­ anschaulichung gedacht.

Das Flußdiagramm der Fig. 3 erfordert inhärent, daß bis zur Ermittlung eines Ventilhubs sämtliche Abtastwerte gespeichert werden, da noch nicht bekannt ist, welche Abtastwerte später als Nachbarn eines Maximalwertes Vmax zur Mittelung herange­ zogen werden müssen. Dies kann dadurch vereinfacht werden, dass die Abtastwerte in Art eines Schieberegisters vorgehal­ ten werden. Einem solchen, vorzugsweise ungeradzahligen Schieberegister, wird der jeweils aktuelle Abtastwert einge­ geben. Der mittlere Wert wird mit dem gespeicherten Maximal­ wert Vmax verglichen. Zeigt dieser Vergleich, daß der aktuel­ le mittlere Wert des Schieberegisters größer als der bisheri­ ge Maximalwert Vmax ist, wird der mittlere Wert als Maximal­ wert Vmax abgespeichert und sofort der Mittelwert <M< über alle Werte des Schieberegisters gebildet. Dann kann sofort der nächste aktuelle Wert in das Schieberegister eingegeben werden. Dieses Vorgehen erfordert nur noch die Speicherung des Maximalwertes Vmax und des zugehörigen Mittelwertes <M<.

Je nach Genauigkeitsanforderung für den zu ermittelnden Ven­ tilhub kann man den Ventilhub aus einer Ventilerhebung ermit­ teln oder auch mehrere Ventilerhebungen dazu heranziehen. Dann muß der in Schritt S10 ermittelte und in Schritt S11 ab­ gespeicherte Ventilhub mit dem Ventilhub nachfolgender Ven­ tilerhebungen gemittelt werden.

Um auszuschließen, daß aus dem Rauschen zu einem Zeitpunkt, zu dem aufgrund der Kurbelwellenstellung keine Ventilerhebung stattfinden kann, fälschlicherweise ein Maximalwert Vmax er­ kannt wird, wird ein Kurbelwellensignal ausgewertet und die Durchführung des Verfahrens in einem solchen Kurbelwellen­ stellungsbereich gesperrt. Liegt kein Kurbelwellensignal vor, so kann dieser Kurbelwellenanstellungsbereich aus der Zeit­ dauer seit der letzten Ventilerhebung unter Berücksichtigung der Drehzahl der Brennkraftmaschine erkannt werden. Natürlich kann man in diesem Bereich dennoch das Ventilhubsignal V ab­ tasten und zu einer Mittelwertbildung verwenden. Der so er­ haltene Mittelwert stellt dann den Offset des Ventilhubsigna­ les dar, der dann vom ermittelten maximalen Ventilhub abzu­ ziehen ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen des maximalen Ventilhubes bei einer Brennkraftkraftmaschine mit variablem Ventilhub mit:

• a) Messen der aktuellen Ventilstellung in einem bestimm­ ten Zeitraster,
• b) Vergleichen jedes aktuellen Meßwertes mit einem vor­ herigen Maximalwert und Abspeichern des größeren als Maximal­ wert, bis festgestellt wird, daß ein Ventilerhebungsvorgang abgeschlossen ist,
• c) Bilden des Mittelwertes aus dem Malwert und den zu­ vor und danach gemessenen Meßwerten,
• d) Bestimmen eines Korrekturwertes aus der Drehzahl der Brennkraftmaschine und dem Maximalwert oder dem Mittelwert,
• e) Berechnen des maximalen Ventilhubes aus dem Mittel­ wert und dem Korrekturwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei jeder Messung in Schritt a) ein Zähler inkrementiert wird, daß in Schritt c) bei jedem Ver­ gleich, der den aktuellen Meßwert als neuen Maximalwert er­ gibt, der Zähler auf Null zurückgesetzt wird und daß bei Ü­ berschreiten eines vorgegebenen Zählerstandes festgestellt wird, daß ein Ventilerhebungsvorgang abgeschlossen ist.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ständig eine bestimmte Anzahl der letzten Meßwerte gespeichert wird, von denen der mittlere Meßwert als aktueller Meßwert in Schritt b) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitras­ ter in Schritt a) drehzahlabhängig gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitras­ ter so gewählt wird, daß in einem gegebenen Betriebsbereich immer mindestens fünf Meßwerte einen Ventilerhebungsvorgang abdecken.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Kurbelwelle erfaßt und in einem Kurbelwellenstellungsbe­ reich, in dem eine Ventilöffnung ausgeschlossen ist, die Durchführung des Verfahrens gesperrt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erfassung der Kurbelwellenstellung durch Messen der Zeitdauer seit der letzten Ventilerhebung unter Berücksichtigung der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Schritt e) berechnete maximale Ventilhub gespeichert wird, das Verfahren abfolgend über mehrere Ventilerhebungsvorgänge durchgeführt wird und die jeweils gespeicherten maximalen Ventilhübe zu einem korrigierten maximalen Ventilhub gemit­ telt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittelung nur stattfindet, wenn der Betrieb der Brennkraftmaschine in einem gewissen Betriebspa­ rameterbereich verläuft.