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Dokumentenidentifikation DE112005001720T5 16.05.2007
Titel Motorventilbetätigungssteuerung und Verfahren für stationären und transienten Betrieb
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Sun, Zongxuan, Troy, Mich., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005001720
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 09.06.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/020494
WO-Veröffentlichungsnummer 2006019474
WO-Veröffentlichungsdatum 23.02.2006
Date of publication of WO application in German translation 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F01L 9/02(2006.01)A, F, I, 20050609, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01L 1/34(2006.01)A, L, I, 20050609, B, H, DE   F01L 9/04(2006.01)A, L, I, 20050609, B, H, DE   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Motorventiltriebe und insbesondere eine Steuerung und ein Verfahren zum Betreiben eines Motorventilaktuators für einen Verbrennungsmotor.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ventilaktuatoren für nockenlose Ventiltriebe von Verbrennungsmotoren sind in der Technik vorgeschlagen worden. Solche Ventiltriebe werden oft durch Algorithmen gesteuert, welche eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung stellen. Das herkömmliche Motorventilbewegungsprofil ist im Zeitbereich jedoch zyklisch, aber nicht periodisch, wenn sich die Motordrehzahl ändert. Einige fortschrittliche Steuerungsalgorithmen, wie zum Beispiel Repetitive Control, können unter drehzahltransienten Bedingungen nicht angewandt werden. Um diesen Profilen präzise zu folgen, muss der Motorventilaktuator die Fähigkeit zu einem präzisen Folgen über ein kontinuierliches Frequenzspektrum aufweisen, was gewöhnlich einen leistungsfähigen und teuren Aktuator erfordert. Als ein Ergebnis können herkömmliche Steuerungen unter drehzahltransienten Bedingungen keine zufrieden stellende Leistungsfähigkeit erreichen. Daher besteht ein Bedarf für einen neuen Steuerungsalgorithmus, der keinen teuren Aktuator erfordert und in der Lage ist, sowohl unter stationären als auch unter transienten Bedingungen zu arbeiten.

Es ist wünschenswert, eine Motorventilaktuatorsteuerung zu schaffen, die sich an Änderungen von Motorbetriebsbedingungen anpasst, um einen präzisen Ventilhub und eine zufriedenstellende Aufsetzgeschwindigkeit über einen weiten Zustandsbereich zur Verfügung zu stellen. Es ist auch wünschenswert, eine Ventilaktuatorsteuerung mit einer erhöhten Flexibilität und einer vollen Kapazität für einen variablen Hub zu schaffen. Daher besteht in der Technik ein Bedarf zur Schaffung einer Ventilaktuatorsteuerung und eines Verfahrens oder eines Algorithmus für einen Motor, der diese Wünsche erfüllt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Wünsche werden durch einen Steuerungsalgorithmus mit vereinfachten Funktionen erfüllt, welche zeitinvariante (konstante) Trajektorien des Ventilöffnens und Ventilschließens mit dazwischenliegenden variablen Funktionen des Verweilens an dem Ventilsitz und an dem maximalen Ventilhub einbeziehen, um insgesamt den Öffnungszeitpunkt und die Gesamtdauer des Motorventilereignisses zu variieren. Daher umfasst das erfindungsgemäße Ventilprofil vier Teile: einen Sitzverweilabschnitt, einen Öffnungsabschnitt, einen Hubverweilabschnitt und einen Schließabschnitt. Die Ventilöffnungs- und Schließabschnitte sind zeitinvariant, das heißt der Öffnungsabschnitt bzw. der Schließabschnitt folgen einem festgelegten Öffnungspfad und einem festgelegten Schließpfad. Jeder dieser Abschnitte beansprucht eine festgelegte (invariante) Zeitspanne unabhängig von der Motordrehzahl und öffnet das Ventil auf ein festgelegtes Ventilhubmaß. Die Sitzverweilabschnitte (Ventil geschlossen) und Hubverweilabschnitte (Ventil geöffnet) werden zeitlich verändert, um Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Ventilbetriebs bereitzustellen, welche die Betriebsanforderungen des Motorzyklus sowohl bei konstanten als auch bei sich ändernden (transienten) Motordrehzahlen erfüllen.

Die Steuerung arbeitet mit einem Algorithmus, der Kurbelwellenstellungs- und Ventilstellungssensoren oder Berechnungen verwendet, um festzustellen, wann ein Öffnen und ein Schließen des Ventils eingeleitet werden muss, und wie lange das Ventil während des Hubverweilabschnitts offen gehalten werden muss. Die Arbeitsweise der Steuerung wird durch ein zugrunde liegendes Prinzip vereinfacht, welches die Steuerungsaufgabe von einer Nachverfolgung über ein kontinuierliches Frequenzspektrum auf ein Nachverfolgen an diskreten Frequenzpunkten korrigiert, was mit einem weniger teuren und einfacheren Aktuator erreicht werden kann.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Ventilaktuatorsteuerung eine Repetitive Control-Funktion (RC-Funktion) und eine Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion (PIDC-Funktion). Die RC-Funktion der Steuerung steht mit einem Schieberventil-Aktuator zum Antreiben eines Schieberventils in Verbindung, das dazu dient, ein Öffnen und Schließen eines Motorventils auf einer zeitinvarianten Öffnungs- und Schließtrajektorie von Zyklus zu Zyklus einzuleiten.

Die PIDC-Funktion der Steuerung steht mit dem Schieberventil-Aktuator in Verbindung, um die Stellung des Schieberventils nachzustellen, wenn sich das Ventil an dem Sitz oder an dem Maximalhub befindet, und dadurch den Motorventilöffnungszeitpunkt und die Dauer des Motorventilereignisses zu verändern.

Ein Sensor verfolgt die Stellung des Motorventils während jedes Zyklus und leitet die Information an die Steuerung weiter.

Bei jedem Zyklus überwachen die RC-Funktion und die PIDC-Funktion der Steuerung die Motordrehzahl, die Motorventilstellung und das Motorventilzeitverhalten und bestimmen den optimalen Motorventilöffnungszeitpunkt, das optimale Hubverweilen, den optimalen Schließzeitpunkt und die optimale Aufsetzgeschwindigkeit.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung gewisser spezieller Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden.

KURZBESCHRIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm, das eine allgemeine Anordnung einer erfindungsgemäßen Ventilaktuatorsteuerung darstellt;

2 ist ein Profil einer Ventilbewegung, wie es durch die Ventilaktuatorsteuerung von 1 bei variierenden Motordrehzahlen bereitgestellt wird;

3 ist ein Flussdiagramm eines Steuerungsalgorithmus, der von der Steuerung von 1 verwendet wird;

4 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ventilaktuatorbaugruppe, welche in Arbeitsbeziehung mit einem Fahrzeugmotor dargestellt ist;

5 ist eine Querschnittsansicht der Ventilaktuatorbaugruppe von 4 bei einer geschlossenen Stellung des Motorventils;

6 ist eine Ansicht ähnlich 5 bei einer Öffnungsstellung des Ventils;

7 ist eine Ansicht ähnlich 5 bei einer geöffneten Stellung des Ventils;

8 ist eine Ansicht ähnlich 5 bei einer Schließstellung des Ventils; und

9 ist eine Ansicht ähnlich 5 bei einer geschlossenen Stellung des Ventils.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Zuerst auf 1 der Zeichnungen genau Bezug nehmend bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein einen prinzipiellen Entwurf eines erfindungsgemäßen Steuerungssystems. Das Steuerungssystem 10 umfasst eine Steuerung 12, welche einen Algorithmus einschließt, der durch beliebige geeignete Steuerungsverfahren implementiert sein kann, wie zum Beispiel eine Repetitive Control-Funktion (RC-Funktion) und eine Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion (PIDC-Funktion) oder andere Mittel, welche die gleichen oder ähnliche Funktionen ausführen. Die Steuerung 12 steht mit einem Motorventilaktuator 14 in Verbindung, der dazu dient, ein Motorventil 16 zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung zu bewegen.

Der Aktuator 14 kann direkt auf das Motorventil 16 einwirken oder unter Verwendung von Hydraulikkanälen oder mechanischen Mitteln indirekt auf das Motorventil einwirken. Die Stellung des Motorventils wird durch einen Motorventilstellungssensor 18 überwacht, der eine Information über die Motorventilstellung an die Steuerung 12 weiterleitet. Die Steuerung schaltet den Aktuator 14 ein und aus, um das Motorventil 16 gemäß der in 2 dargestellten Ventilbewegung zu betreiben. Insbesondere erzeugt der RC-Abschnitt der Steuerung ein zeitinvariantes Motorventilanstiegs(Öffnungs-) und Motorventilabstiegs- (Schließ-) Ventilbewegungsprofil und der PIDC-Abschnitt der Steuerung erzeugt variable Verweildauern an dem Ventilsitz und an dem Maximalhub, welche sich mit der Motordrehzahl ändern.

2 ist ein Diagramm, das eine Motorventilhubprofilaufzeichnung darstellt, welche gemäß eines erfindungsgemäßen Steuerungsalgorithmus über eine Zeitspanne durchgeführt wurde, welche beispielhafte erste und zweite Motordrehzahlen umfasst. Die gezeigten Motorventilhubprofile können auf verschiedene Typen von Ventiltrieben, welche beispielsweise elektromagnetische, elektromechanische und elektrohydraulische umfassen, angewendet werden.

Linien 20, 22, 24 und 26 stellen ein erstes Motorventilereignis oder einen ersten Zyklus bei einer Motordrehzahl von 1000 RPM dar. Die (teilweise gezeigte) Linie 20 stellt das Sitzverweilen des Motorventils in einem geschlossenen Zustand oder einer gesetzten Stellung dar. Das Motorventil verharrt in dem geschlossenen Zustand, bis der optimale Zeitpunkt zum Öffnen des Motorventils auftritt. Zu diesem Zeitpunkt veranlasst die RC-Funktion der Steuerung 12 ein Öffnen des Motorventils, wobei es dem durch die Linie 22 dargestellten zeitinvarianten oder festgelegten Öffnungsprofil folgt.

Die Hubverweillinie 24 stellt die Hubverweildauer des Motorventils dar, bei welcher die PIDC-Funktion der Steuerung 12 einen konstanten Ventilhub für eine gewünschte Zeitspanne bei einer vorgegebenen Motordrehzahl aufrechterhält. Die Linie 26 stellt ein zeitinvariantes Schließprofil des Motorventils 16 dar, das durch die RC-Funktion der Steuerung 12 reproduziert wird. Wenn sich das Motorventil Null mm Hub nähert, kann die PIDC-Funktion der Steuerung 12 eine Weichaufsetz-Prozedur einleiten, um die Aufsetzgeschwindigkeit des Motorventils zu vermindern.

Da die RC-Funktion der Steuerung 12 eine zeitinvariante Öffnungskurve 22 und eine zeitinvariante Schließkurve 26 erzeugt, wird die Dauer des Motorventilereignisses durch die Dauer des Sitzverweilens und des Hubverweilens bestimmt, welche durch die Linien 20, 24 gezeigt sind und durch die PIDC-Funktion der Steuerung 12 bestimmt werden. Entsprechend vermindert ein Verkürzen der Dauern des Sitzverweilens und des Hubverweilens die Dauer des Motorventilereignisses, während ein Verlängern der Dauern des Sitzverweilens und des Hubverweilens die Dauer des Motorventilereignisses verlängert.

Linien 27, 28, 30 und 32 stellen ein zweites Motorventilereignis oder einen zweiten Zyklus bei einer Motordrehzahl von 2000 RPM dar. Die Linie 27 stellt das Sitzverweilen oder die Dauer in der geschlossenen Ventilstellung dar. Die Linie 28 stellt das zeitinvariante Öffnungsprofil des Motorventils dar, welches das gleiche ist wie 22. Die Linie 30 stellt die Hubverweildauer des Motorventils dar. Die Linie 32 stellt ein zeitinvariantes Schließprofil des Motorventils dar, welches das gleiche ist wie Linie 26. Wie gezeigt sind die Sitzverweil- und Hubverweildauern, wie durch die Linien 27, 30 dargestellt, durch die PIDC-Funktion der Steuerung 12 im Vergleich zu den Linien 20, 24 verkürzt. Als ein Ergebnis ist die Dauer des Motorventilereignisses verkürzt, um ein optimales Ventilzeitverhalten bei der höheren Motordrehzahl aufrecht zu erhalten.

Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung ist ferner in dem Flussdiagramm von 3 dargestellt. Wie in Kasten 34 gezeigt ist, wird die Steuerung 12 (die eine RC und eine PIDC umfasst) anfänglich auf Standardeinstellungen zurückgesetzt. Dann überwacht die Steuerung 12 die Motordrehzahl und den Kurbelwellenwinkel, um einen optimalen Öffnungszeitpunkt des Motorventils 16 zu bestimmen, wie in Kasten 36 gezeigt ist. Bei dem optimalen Zeitpunkt zum Öffnen des Motorventils leitet die Steuerung 12 ein Öffnen des Motorventils ein, wie in Kasten 38 gezeigt ist.

Während sich das Motorventil 16 öffnet, folgt die Steuerung 12 der zeitinvarianten Trajektorie des Motorventils 16, wie in Kasten 40 gezeigt ist. Auf der Grundlage der Öffnungsgeschwindigkeit und der Trajektorie des Motorventils 16 geht die Steuerung 12 am Ende der Öffnungstrajektorie in eine Hubsteuerung über, wie in Kasten 42 gezeigt ist. Auf der Grundlage der Motordrehzahl schätzt die Steuerung 12 die optimale Motorventilhubverweildauer und den optimalen Motorventilschließzeitpunkt ab, wie in Kasten 44 gezeigt ist.

An dem optimalen Motorventilschließzeitpunkt leitet die Steuerung 12 ein Schließen des Motorventils ein, wie in Kasten 46 gezeigt ist. Die Steuerung 12 folgt dem zeitinvarianten Schließprofil des Motorventils 16, wie in Kasten 48 gezeigt ist. Am Ende des Schließprofils geht die Steuerung 12 in eine Sitzsteuerung über, wie in Kasten 50 gezeigt ist. Dann kehrt sie zu Kasten 36 zurück und der Ablauf wiederholt sich. Während des obigen Prozesses können die Anfangswerte der RC- und der PIDC-Funktionen geeignet gesetzt werden, um sanfte Übergänge sicherzustellen.

Das vorherige Material hat die grundlegenden Merkmale und den Arbeitsalgorithmus einer Steuerung und eines Verfahrens zur Betätigung von Motorventilen für verschiedene Formen von Motorventiltrieben beschrieben. Die Erfindung kann auf alle Formen von elektronisch gesteuerten Ventilaktuatoren angewendet werden. Es folgen Beschreibungen eines speziellen Beispiels eines Ventilaktuators und einer Steuerung, bei dem die Steuerungskonzepte und Betriebsverfahren der Erfindung angewendet sind.

Nun auf 4 und 5 Bezug nehmend ist eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrohydraulischen Ventilaktuatorbaugruppe 62 gezeigt, welche an einem Zylinderkopf 64 montiert ist, der mindestens eine Öffnung 66 umfasst, die in Verbindung mit einer Brennkammer 68 eines Motors steht. Der Zylinderkopf 64 umfasst auch ein bewegliches Motorventil 70 für jede Öffnung 66. Das Motorventil 70 weist einen Ventilschaft 72 und einen Ventilkopf 74 an einem Ende des Ventilschafts auf. Das Motorventil 70 ist zur Steuerung seiner entsprechenden Öffnung 66 zwischen geöffneten und geschlossenen Stellungen beweglich. Es versteht sich, dass das Motorventil 70 entweder ein Einlass- oder ein Auslassventil sein kann.

Die Ventilaktuatorbaugruppe 62 umfasst ferner ein Ventilaktuatorgehäuse 76, das zu dem Zylinderkopf 64 benachbart angeordnet ist. Das Ventilgehäuse 76 weist im Inneren eine Haupt- oder erste Fluidkammer 78 auf. Ein erster Kolben 80 ist mit dem Ventilschaft 72 des Motorventils 70 verbunden oder steht damit in Kontakt. Der Kolben 80 ist in der ersten Fluidkammer 78 des Ventilgehäuses 76 angeordnet und kann eine zweite Fluidkammer 82 darin bilden. Eine Motorventilfeder 84 ist um den Ventilschaft 72 herum angeordnet und kontaktiert den Zylinderkopf 64, um das Motorventil 70 in Richtung geschlossene Stellung vorzuspannen, so dass der Ventilkopf 74 die Öffnung 66 schließt, wie in 4 und 5 gezeigt ist.

Die Ventilaktuatorbaugruppe 62 kann ferner eine dritte Fluidkammer 86 umfassen, welche von der ersten Fluidkammer 78 axial beabstandet ist und durch das Gehäuse 76 definiert ist. Ein zweiter Kolben 88, der mit dem ersten Kolben 80 verbunden ist, kann in der dritten Fluidkammer 86 angeordnet sein.

Die Ventilaktuatorbaugruppe 62 umfasst auch ein Schieberventil 90, das in Fluidverbindung mit der ersten Fluidkammer 78 des Ventilgehäuses 76 steht. Das Schieberventil 90 ist von einem Drei-Wegetyp mit drei Stellungen. Das Schieberventil 90 weist einen Hochdruckanschluss 92 in Fluidverbindung durch einen Zwischenkanal 94 mit einer Fluidpumpe 96 und einen Niederdruckanschluss 98 in Fluidverbindung durch einen zweiten Zwischenkanal 100 mit einem Fluidtank 102 auf. Wenn gewünscht, kann die Fluidpumpe 96 in Fluidverbindung mit dem Fluidtank 102 oder einem separaten Fluidtank stehen.

Das Schieberventil 90 umfasst ferner einen dritten Anschluss 104 in Fluidverbindung durch einen Antriebskanal 106 mit der ersten Fluidkammer 78. Das Schieberventil 90 kann auch einen vierten Anschluss 108 zur Fluidverbindung einer vierten Kammer 110 über einen ersten Rückführungskanal 112 mit der zweiten Fluidkammer 82 des Ventilgehäuses 76 und einen fünften Anschluss 114 zur Fluidverbindung einer fünften Kammer 116 über einen zweiten Rückführungskanal 118 mit der dritten Fluidkammer 86 aufweisen. Das Schieberventil 90 dient dazu, eine Fluidströmung zu und aus der ersten Fluidkammer 78 zu steuern.

Das Schieberventil 90 umfasst auch einen Aktuator 120 an einem Ende des Schieberventils 90 benachbart zu der optionalen fünften Kammer 116. Das Schieberventil 90 umfasst ferner eine Schieberventilfeder 122, die in der vierten Kammer 110 angeordnet ist, um das Schieberventil in Richtung Aktuator 120 vorzuspannen. Die Schieberventilfeder 122 dient dazu, das Schieberventil 90 in Richtung auf den Aktuator 120 vorzuspannen.

Der Aktuator 120 ist von einem linearen Typ, zum Beispiel ein Solenoid, und mit einer elektrischen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Steuerung 124, elektrisch verbunden. Die Steuerung 124 umfasst einen erfindungsgemäßen Algorithmus, der durch eine Repetitive Control (RC) und eine Proportional-Integral-Ableitungssteuerung (PIDC) oder durch andere Mittel, welche die gleichen Funktionen ausführen, implementiert sein kann.

Die RC-Funktion der Steuerung 124 schaltet den Aktuator 120 ein und aus, um das Schieberventil 90 zu betätigen und ein Öffnen und Schließen des Motorventils 70 mit zeitinvarianten Trajektorien von Zyklus zu Zyklus einzuleiten.

Die PIDC-Funktion der Steuerung 124 schaltet den Aktuator 120 ein und aus, um das Schieberventil 90 zu betätigen und die Stellung des Schieberventils 90 nachzustellen, wenn sich das Motorventil 70 im Sitz oder am Maximalhub befindet, und dadurch den Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Motorventils und die Dauer des Motorventilereignisses zu verändern.

Ein Motorsensor 126 steht mit der Steuerung 124 in Verbindung und überwacht die Motordrehzahl, die Motorventilöffnungsgeschwindigkeit, die Hubhöhe und die Verweildauer, den Schließzeitpunkt, die Schließgeschwindigkeit und die Aufsetzgeschwindigkeit.

Im Betrieb ist, wie durch 5 dargestellt ist, das Motorventil 70 in der geschlossenen Stellung gezeigt. In dieser Stellung schaltet die PIDC-Funktion der Steuerung 124 den Aktuator 120 aus. Dies ermöglicht der Schieberventilfeder 122, das Schieberventil 90 in Richtung auf den Aktuator zu bewegen, um den Hochdruckanschluss 92 zu schließen und den Niederdruckanschluss 98 zu öffnen. Dies verbindet die erste Kammer 78 über den Niederdruckanschluss 98 mit dem Fluidtank 102 und ermöglicht es der Motorventilfeder 84, das Motorventil 70 geschlossen zu halten, wobei der Ventilkopf 74 die Öffnung 66 schließt.

Wenn sich das Motorventil 70 noch im Sitz befindet, überwacht die PIDC-Funktion der Steuerung 124 die Motordrehzahl und schätzt den optimalen Öffnungszeitpunkt des Ventilereignisses auf der Grundlage der momentanen und einer geschätzten zukünftigen Motordrehzahl. Wenn sie den optimalen Zeitpunkt erreicht, schaltet die PIDC-Funktion der Steuerung 124 auf die RC-Funktion der Steuerung 124 um, um die zeitinvariante Öffnungstrajektorie einzuleiten.

Zum Öffnen des Motorventils 70 schaltet, wie in 6 dargestellt ist, die RC-Funktion der Steuerung 124 den Aktuator 120 ein, um das Schieberventil 90 zum Schließen des Niederdruckanschlusses 98 und zum Öffnen des Hochdruckanschlusses 92 gegen die Schieberventilfeder 122 zu treiben. Dies ermöglicht es einem Hochdruckfluid von der Pumpe 96 durch das Schieberventil 90 in die erste Kammer 78 zu strömen. Der Fluiddruck wirkt gegen den ersten Kolben 80, um die Kraft der Motorventilfeder 84 zu überwinden und das Motorventil 70 zu öffnen. Während dieser Zeit überwacht der Sensor 126 den Öffnungszeitpunkt, die Geschwindigkeit und die Trajektorie des Motorventils und leitet diese Informationen an die Steuerung 124 weiter. Unter Verwendung der aktuellen Sensorinformationen und der Ventilstellungsinformationen des letzten Zyklus steuert die RC-Funktion der Steuerung 124 den Aktuator 120, um das Motorventil 70 zum Folgen der zeitinvarianten Öffnungstrajektorie anzutreiben.

Am Ende der Öffnungstrajektorie wird das Motorventil 70 dann in einer vorbestimmten Hubstellung oder bei einem vorbestimmten Hubverweilen gehalten, wie in 7 gezeigt ist. Die RC-Funktion der Steuerung 124 schaltet dann auf die PIDC-Funktion der Steuerung 124 um, um den Aktuator 120 zu regeln und das Motorventil 70 in der vorbestimmten Hubstellung zu halten. Dies wird erreicht, wenn die PIDC-Funktion der Steuerung 124 den Aktuator 120 einschaltet, um das Schieberventil 90 in eine Neutralstellung zu bewegen, welche die Verbindung zwischen den Hoch- und Niederdruckanschlüssen 92, 98 schließt und dadurch die erste Fluidkammer 78 abdichtet. Als ein Ergebnis wird die Stellung des ersten Kolbens 80 in der ersten Fluidkammer 78 beibehalten, um die Hubstellung des Motorventils 70 beizubehalten. Die Dauer des Hubverweilens bestimmt die Dauer des Motorventilereignisses.

Während sich das Motorventil 70 noch an dem vorbestimmten Hub befindet, überwacht die PIDC-Funktion der Steuerung 124 die Motordrehzahl von dem Sensor 126 und schätzt den optimalen Schließzeitpunkt für das Ventilereignis auf der Grundlage der momentanen und einer geschätzten zukünftigen Motordrehzahl. Nach einer gewünschten Hubverweildauer schließt sich das Motorventil 70. Die PIDC-Funktion der Steuerung 124 schaltet auf die RC-Funktion der Steuerung 124 um, um die zeitinvariante Schließtrajektorie einzuleiten.

Wie in 8 gezeigt ist, steuert die RC-Funktion der Steuerung 124 unter Verwendung der aktuellen Sensorinformationen 126 und der Ventilstellungsinformationen des letzten Zyklus den Aktuator 120, um das Motorventil 70 zum Folgen der zeitinvarianten Schließtrajektorie anzutreiben. Dies wird erreicht, wenn die RC-Funktion der Steuerung 124 das Schieberventil 90 ausschaltet. Die Schieberventilfeder 122 bewegt das Schieberventil 90 in eine Stellung zurück, welche die erste Kammer 78 mit dem zweiten Zwischenkanal 100 und dem Fluidtank 102 verbindet. Dies ermöglicht es dem Hochdruckfluid in der ersten Kammer 78, in den Fluidtank 102 auszuströmen. Dann treibt die Motorventilfeder 84 das Motorventil 70 nach oben, wie in 8 dargestellt ist. Die zweite Fluidkammer und die dritte Fluidkammer 82 und 86 werden mit dem Tank 130 verbunden, so dass ein Niederdruckfluid die zweite Fluidkammer aus der dritten Fluidkammer und aus dem Tank 130 wieder auffüllt, wenn das Motorventil 70 in die geschlossene Stellung zurückkehrt.

Am Ende der Schließtrajektorie befindet sich das Motorventil 70 im Sitz. Die RC-Funktion der Steuerung 124 schaltet dann auf die PIDC-Funktion der Steuerung 124 um, um das Motorventil 70 im Sitz zu halten. Dies ist in 9 gezeigt.

Es sollte verstanden sein, dass auch verschiedene andere Ausführungsformen einer Ventilsteuerung betrieben werden könnten, um das hier allgemein beschriebene Verfahren einer Ventilbewegungssteuerung bereitzustellen.

Obwohl die Erfindung durch Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es verstanden sein, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte durchgeführt werden könnten. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche zugelassen wird.

Zusammenfassung

Eine Ventilaktuatorsteuerung überwacht eine Motordrehzahl, ein Motorventilzeitverhalten, eine Motorventilhubverweildauer und eine Motorventilaufsetzgeschwindigkeit und verändert das Zeitverhalten des Motorventilereignisses durch ein Nachstellen der Hubverweildauer des Motorventils, während zeitinvariante Öffnungs- und Schließprofile beibehalten werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Motorventils während sowohl eines stationären Betriebs als auch eines Betriebs mit variierenden Drehzahlen eines Motors, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass

1) zu einem vorbestimmten Ventilöffnungszeitpunkt, der in Beziehung zu der Motordrehzahl steht, ein Ventilöffnen entlang eines vorbestimmten zeitinvarianten Öffnungsprofils durchgeführt wird;

2) das Ventil bei einem ausgewählten Ventilhub für eine veränderliche Zeitdauer offen gehalten wird, die in Beziehung zu der Motordrehzahl steht;

3) zu einem vorbestimmten Ventilschließzeitpunkt, der in Beziehung zu der Motordrehzahl steht, ein Ventilschließen entlang eines vorbestimmten zeitinvarianten Schließprofils durchgeführt wird;

4) das Ventil für eine variable geschätzte Zeitdauer geschlossen gehalten wird, die in Beziehung zu der Motordrehzahl steht; und

die Schritte 1) bis 4) während eines fortgesetzten Betriebs des Motors wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass

1a) vor Schritt 1 die zusätzlichen Schritte durchgeführt werden, dass der Zeitpunkt für den nächsten Ventilöffnungsschritt während einer Ventilgeschlossen-Verweildauer geschätzt wird; und das Erreichen des Ventilöffnungszeitpunkts bestätigt wird;

3a) vor Schritt 3 die zusätzlichen Schritte durchgeführt werden, dass der Zeitpunkt für den nächsten Ventilschließschritt geschätzt wird; und das Erreichen des Ventilschließzeitpunkts bestätigt wird;

4a) der Schritt 1a) und die nachfolgenden Schritte nach Schritt 4 wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, das umfasst, dass eine Repetitive Control (RC) zum Durchführen der Schritte 1 und 3 verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 3, das umfasst, dass eine Proportional-Integral-Ableitungssteuerung (PIDC) zum Durchführen der Schritte 2 und 4 verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 2, das umfasst, dass die Ventilprofile der Öffnungs- und Schließschritte 1 und 3 verfolgt werden und das Verfahren aufgrund von Fehlern in den Profilen in den vorherigen Öffnungs- und Schließschritten korrigiert wird. Motorventilaktuatorbaugruppe, die umfasst:

ein Motorventil, das zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung beweglich ist;

einen Motorventilaktuator, der dazu dient, das Motorventil zwischen der geöffneten Stellung und der geschlossenen Stellung zu bewegen;

eine Steuerung mit einer Repetitive Control-Funktion, die dazu dient, den Aktuator ein- und auszuschalten, um das Motorventil auf einem zeitinvarianten Rampenprofil zwischen der geöffneten Stellung und der geschlossenen Stellung zu bewegen; und

wobei die Steuerung auch eine Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion aufweist, welche dazu dient, den Aktuator ein- und auszuschalten, um eine gewünschte Motorventilhubverweildauer aufrecht zu erhalten;

einen Motorventilstellungssensor, der mit der Steuerung und der Repetitive Control-Funktion und der Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion in Verbindung steht, und wobei die Steuerung dazu dient, eine Motorventilrampengeschwindigkeit und -trajektorie, ein Motorventilzeitverhalten und eine Motorventilhubverweildauer nachzuverfolgen;

wobei die Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion einen Steuerungsalgorithmus aufweist, um eine optimale Motorventilhubverweildauer bei einer gegebenen Motordrehzahl zu berechnen, um

ein optimales Motorventilzykluszeitverhalten für eine gegebene Drehzahl zu erhalten; und

wobei die Proportional-Integral-Ableitungssteuerungsfunktion ein Einschalten des Aktuators nachstellt, um eine optimale Motorventilhubdauer für die gegebene Drehzahl aufrecht zu erhalten.
Motorventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 6, wobei der Aktuator ein bewegliches Schieberventil antreibt, welches dazu dient, eine Fluidströmung zu und aus einem Antriebskanal zur Positionierung des Motorventils zwischen einer geöffneten Stellung und der geschlossenen Stellung selektiv bereitzustellen. Motorventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 7, die einen ersten Rückführungskanal, der das Motorventil, das Schieberventil und ein erstes Ein/Aus-Ventil verbindet, und einen zweiten Rückführungskanal, der das Motorventil, das Schieberventil und ein zweites Ein/Aus-Ventil verbindet, umfasst. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 8, die ein Ventilgehäuse umfasst, das eine erste Fluidkammer in Fluidverbindung mit dem Antriebskanal und eine zweite Fluidkammer in Fluidverbindung mit dem ersten Rückführungskanal umfasst. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 9, die einen ersten Kolben aufweist, der mit dem Motorventil zusammenwirkt und in dem Ventilgehäuse beweglich und wirksam zwischen der ersten Fluidkammer und der zweiten Fluidkammer angeordnet ist. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 9, wobei der erste Rückführungskanal die zweite Fluidkammer und eine vierte Fluidkammer des Schieberventils verbindet. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 9, wobei das Ventilgehäuse eine dritte Fluidkammer aufweist, die mit dem zweiten Rückführungskanal in Fluidverbindung steht. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 12, die einen zweiten Kolben umfasst, der mit dem Motorventil zusammenwirkt und in dem Ventilgehäuse angeordnet ist, wobei eine Seite des zweiten Kolbens zu der dritten Fluidkammer hin offen ist. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 13, wobei der zweite Rückführungskanal die dritte Fluidkammer mit einer fünften Fluidkammer des Schieberventils verbindet. Ventilaktuatorbaugruppe nach Anspruch 14, die eine vierte Fluidkammer an einem Ende des Schieberventils und in Fluidverbindung mit dem ersten Rückführungskanal und eine fünfte Fluidkammer an einem entgegengesetzten Ende des Schieberventils und in Fluidverbindung mit dem zweiten Rückführungskanal umfasst.






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