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:
Die Brennkraftmaschine umfasst ferner ein elektronisches Ansteuermittel zur Ansteuerung des Hydraulikventils in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine.
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
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.
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.
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:
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen. Es zeigen:
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die in
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
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.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.