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Title:
CONTROL SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH ELECTROMECHANICALLY ACTUATED CHARGE CHANGE VALVES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/063547
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an internal combustion engine having an electromechanical valve train, in which the valve control device (1) houses not only the output stage for electromechanical valve actuation but also the output stage (4) for the ignition system (7) and the output stage (6) for the fuel injection system (11). In this way, in case of failure of an electromechanically actuated valve (5a, 5b) the valve control device (1) is able to rapidly prevent the ignition of the air/fuel mixture in the cylinder (13) affected by the valve failure. Moreover, all output stages important for the thermal combustion process are combined in one control device, which is advantageously connected to a water cooling system.

Inventors:
VOGT THOMAS (DE)
KOCH ACHIM (DE)
HARTKE ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/001204
Publication Date:
October 26, 2000
Filing Date:
April 17, 2000
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
VOGT THOMAS (DE)
KOCH ACHIM (DE)
HARTKE ANDREAS (DE)
International Classes:
F02D9/02; F02D13/02; F02D41/20; F02D41/22; F02D41/26; F02D41/30; F01L9/04; F02D43/00; F02D45/00; F02P11/04; (IPC1-7): F02D45/00; F01L9/04; F02D41/20; F02D41/22; F02D41/26; F02D13/02
Foreign References:
US5890078A1999-03-30
EP0854280A11998-07-22
EP0309986A11989-04-05
DE19723563A11998-12-10
DE4420425A11995-12-14
US5201296A1993-04-13
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Steuerungsanlage für eine Brennkraftmaschine (10) mit min destens einem elektromechanisch betätigtem Gaswechselventil (5a, 5b), einer Einspritzanlage (11) und einer Zündanlage (7), die jeweils von Endstufen (2,3,6,4) betrieben werden, welche Steuerungsanlage aufweist : ein mindestens einen Prozessor aufweisendes Betriebssteuerge rät (9) für die Brennkraftmaschine (10), das Vorgaben zur Be tätigung der Einspritzanlage (6,11) und des Gaswechselven tils (2,3,5a, 5b) ermittelt, und ein mindestens einen Prozessor aufweisendes Ventilsteuergerät (1), das mit dem Betriebssteuergerät (9) über eine bidirek tionale Kommunikationsleitung (8) Daten austauscht, wobei die Endstufen (6,4,2,3) für die Einspritzanlage (11) und/oder die Zündanlage (7) sowie für das elektromechanisch betätigte Gaswechselventil (5a, 5b) im Ventilsteuergerät (1) angeordnet sind, das diese abhängig von den vom Betriebssteu ergerät (9) erhaltenen Daten ansteuert.
2. Steuerungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ventilsteuergerät (11) alle Endstufen (2,3,4,6) der Zündanlage (7) des Gaswech selventils (5a, 5b) und der Einspritzanlage (11) umfaßt, und daß das Betriebssteuergerät (9) frei von diesbezüglichen End stufen ist.
3. Steuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ventil steuergerät (1) an eine Kühlanlage thermisch angeschlossen ist.
4. Steuerungsanlage nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ventilsteuergerät (1) über einen Vorund einen Rücklauf (14,15) an den Kühlkreis lauf der Brennkraftmaschine (10) angeschlossen ist.
5. Steuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Betriebssteuergerät (9) so ausgebildet ist, daß es über die Kommunikationsleitung (8) vom Ventilsteuergerät (1) ein gewünschtes Moment oder eine gewünschte Last für die Brennkraftmaschine (10) anfordert, und daß das Ventilsteuergerät (1) so ausgebildet ist, daß es die Betriebsparameter der Einspritzanlage (11), der Zündanla ge (7) und/oder die Öffnungszeiten des Gaswechselventils (5a, 5b) bestimmt und an den Endstufen (6,4,2,3) einstellt.
6. Steuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Brennkraftmaschine (10), dessen Ventilsteuergerät (1) die Endstufe (4) der Zündanlage (7) enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ventil steuergerät (1) so ausgebildet ist, daß es ein Versagen eines elektromechanisch betätigten Gaswechselventils (5a), das zu einem nicht oder nicht vollständig geschlossenen Gaswechsel ventil (5a) in mindestens einem der Zylinder (13) der Brenn kraftmaschine (10) führt, erkennt, und daß es die Zündung im betroffenen Zylinder durch geeignete Ansteuerung der Endstufe (4) der Zündanlage (7) unterbricht, um eine Zündung von Kraftstoff/LuftGemisch im betroffenen Zylinder (13) zu ver meiden.
7. Steuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebssteuergerät (9) zwecks einer Lastdrosselung eine Ver bindungsleitung zu einer Drosselklappe hat.
Description:
Beschreibung Steuerungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit elektrome- chanisch betätigten Gaswechselventilen Die Erfindung betrifft eine Steuerungsanlage für eine Brenn- kraftmaschine mit mindestens einem elektromechanisch betätig- ten Gaswechselventil, einer Einspritzanlage und einer Zündan- lage, die jeweils von Endstufen betrieben werden.

Brennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile elektromecha- nisch betätigt werden, sind bekannt. Im Gegensatz zu nocken- wellenbetätigten Ventilen werden diese Ventile zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert ; eine feste mechanische Kopplung mit der Kurbel- welle liegt nicht vor. Elektromechanische Stellglieder für Gaswechselventile sind beispielsweise aus DE 297 19 502 U1 oder EP 0 724 067 A1 bekannt. Sie weisen eine zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung liegende Ruhestel- lung auf, aus der sie mittels Elektromagneten ausgelenkt wer- den können.

Um ein Ventil zu öffnen oder zu schließen, wird die jeweilige Wicklung bestromt, wobei der erforderliche Strom in der Fang- phase größer ist als in der Haltephase, in der das Ventil in einer Endstellung gehalten wird.

Während bei herkömmlichem, nockenwellenbetätigtem Ventiltrieb eine Vorgabe der Steuerzeiten im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine nicht anfällt, müssen bei elektromecha- nisch betätigten Ventilen entsprechende Steuerzeiten berech- net und vorgegeben werden.- Die Einspritzanlage und die Zündanlage einer Brennkraftma- schine wird üblicherweise jeweils von Endstufen an gesteuert, die im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

Das Betriebssteuergerät und das Ventilsteuergerät kommunizie- ren miteinander, üblicherweise über einen CAN-Datenbus z. B. einen CAN-Datenbus.

Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen können elek- tromechanisch betätigte Ventile unabhängig vom Lauf der Brennkraftmaschine geöffnet und geschlossen werden. Bei einem Ausfall der elektromechanischen Betätigung eines Ventils, der beispielsweise durch einen Ausfall des Stellgerätes, der das Stellgerät ansteuernden Endstufe oder einen Fehler im Ventil- steuergerät verursacht sein kann und u. U. auch nur kurzzeitig vorliegt, kann deshalb das betreffende Ventil unerwünscht ge- öffnet bleiben.

Ein solcher Ausfall wird zwar vom Ventilsteuergerät erkannt, es kann diesen jedoch über den CAN-Bus nicht rechtzeitig an das Betriebssteuergerät melden, da Datenaustausch über diese Busverbindung in der Regel nur alle 180° Kurbelwellenwinkel stattfindet.

Tritt ein solcher Ausfall bei einem Einlaßventil auf, kann es deshalb zur Zündung in den Ansaugtrakt bzw. das Saugrohr hin- ein kommen, was zu einer Beschädigung des Ansaugtraktes füh- ren kann, insbesondere wenn dieser aus Kunststoff gefertigt ist.

Tritt ein solcher Ausfall bei einem Auslaßventil auf, kann es zur Zündung in den Abgastrakt hinein kommen, was Schäden an der Abgasreinigungsanlage, insbesondere einer Lambda-Sonde, zur Folge haben kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Steueranlage für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem elektromecha- nisch betätigtem Gaswechselventil anzugeben, bei dem auch bei Ausfall eines elektromechanisch betätigten Gaswechselventils

eine unerwünschte Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemisch verhin- dert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Um bei Ausfall eines elektromechanisch betätigten Gaswechsel- ventils die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch oder die Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemisch verhindern zu können, ist entweder die Endstufe der Einspritzanlage oder die Endstufe der Zündanlage in das Ventilsteuergerät inte- griert. Dadurch kann das Ventilsteuergerät bei Erkennen eines Ventilausfalls die Einspritzung oder die Zündung noch recht- zeitig unterbinden, da keine zeitraubende Kommunikation über einen BUS zum Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine mehr nötig ist.

Die Abschaltung der Einspritzung bzw. der Zündung kann für alle Zylinder erfolgen, ist aber auch zylinderselektiv mög- lich.

Vorteilhafterweise sind alle Endstufen für Einspritzanlage, Ventilbetätigung und Zündanlage im Ventilsteuergerät angeord- net, so daß das Betriebssteuergerät frei von diesbezüglichen Endstufen ist. Dadurch ist ihre thermische Anbindung bzw. Un- terbringung an der Brennkraftmaschine erheblich vereinfacht.

Weiter bringt die Zusammenfassung aller Endstufen im Ventil- steuergerät den Vorteil, daß die ohnehin für die Endstufen der elektromeechanischen Ventilbetätigung wünschenswerte Was- serkühlung, die durch eine Anbindung an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine bewerkstelligt werden kann, die thermi- schen Verhältnisse in den anderen Endstufen verbessert.

Vorteilhafterweise fordert das Betriebssteuergerät vom Ven- tilsteuergerät, in dem alle Endstufen vereinigt sind, nur noch ein gewünschtes Moment oder eine gewünschte Last der Brennkraftmaschine an, so daß das Ventilsteuergerät dann qua-

si ein Momentensteuergerät ist, das Zündzeitpunkt, Einspritz- zeitpunkt, Abgasrückführrate und Ventilöffnungszeiten selb- ständig wählt und an den Endstufen entsprechend einstellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un- teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Dar- stellung eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Betriebssteuer- gerät 9 sowie einem Ventilsteuergerät 1. Betriebssteuergerät 9 und Ventilsteuergerät 1 sind über einen CAN-Bus 8 miteinan- der verbunden. Das Ventilsteuergerät 1 enthält eine Endstufe 4 für die Zündanlage 7, von der in der Figur nur schematisch eine Zündkerze dargestellt ist. Weiter enthält das Ventil- steuergerät 1 eine Endstufe 6 für die Einspritzanlage 11, von der in der Figur nur schematisch ein Einspritzventil darge- stellt ist. Schließlich enthält das Ventilsteuergerät 1 noch einen Aufsetzregler 2 mit einer Endstufe 3 für die elektrome- chanisch betätigten Gaswechselventile 5a, 5b. Jeder Zylinder 13 der Brennkraftmaschine hat einen Ansaugtrakt 12.

Das Ventilsteuergerät 1 ist über einen Vorlauf 14 und einen Rücklauf 15 an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 10 angeschlossen.

Das Betriebssteuergerät 9 gibt über den CAN-Bus 8 dem Ventil- steuergerät 1 eine Momenten-oder Lastanforderung an, die das Betriebssteuergerät 9 aus einem Fahrpedalhebel (nicht darge- stellt) sowie weiteren Kenngrößen ermittelt.

Die Kommunikation über den CAN-Bus erfolgt dabei alle 180° Kurbelwellenwinkel.

Das Ventilsteuergerät 1, dem zusätzlich noch ein Signal über die Kurbelwellenstellung zugeführt wird, berechnet abhängig von den vom Betriebssteuergerät 9 über den CAN-Bus 8 zuge- führten Daten den Zündzeitpunkt, den Einspritzzeitpunkt und die Ventilöffnungszeiten. Letztere ermöglichen auch das Ein- stellen einer Abgasrückführung, wenn das Auslaßventil zumin- dest während einer Zeitspanne des Ansaugtraktes geöffnet wird.

Das Ventilsteuergerät steuert die Endstufen 2,3,4,6 geeig- net an, so daß die Zündanlage 7, die Einspritzanlage 11 und die elektromechanisch betätigten Gaswechselventile entspre- chend betrieben werden.

Stellt das Ventilsteuergerät 1 einen Ausfall eines Gaswech- selventils, entweder des Einlaßventils 5a oder des Auslaßven- tils 5b fest, kann es die Endstufe 4 entsprechend ansteuern, daß die Zündung im betroffenen Zylinder 13 unterbleibt. Al- ternativ ist es auch möglich, die Endstufe 6 der Einspritzan- lage 11 entsprechend anzusteuern, um die Entstehung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches am Zylinder 13 zu ver- hindern. Durch beide Maßnahmen kann sichergestellt werden, daß eine Zündung in den Ansaugtrakt 12 des betroffenen Zylin- ders 13 hinein unterbleibt, wenn beispielsweise das Einlaß- ventil 5a ausgefallen ist.

Dadurch, daß alle Endstufen im Ventilsteuergerät 1 vereinigt sind, kann dieses noch sehr kurzfristig die Einspritzung oder Zündung unterbrechen, kurzfristiger als es möglich wäre, wenn das Ventilsteuergerät 1 über den CAN-Bus 8 diese Unterbre- chung an das Betriebssteuergerät 9 melden müßte.

Beispielsweise kann die Zündung bis 5 ms vor dem Zündzeit- punkt noch unterbrechen werden, ohne Schäden an der Zündspule bzw. der zugehörigen Endstufe befürchten zu müssen.

Durch die Anbindung an den Kühlkreislauf über den Vorlauf 14 und den Rücklauf 15 sind die Endstufen 2,3,4,6 im Ventil- steuergerät 1 sehr viel besser gekühlt, als sie es im Be- triebssteuergerät 9 ohne Wasserkühlung wären.

Anstatt vom Betriebssteuergerät 9 über den CAN-Bus 8 nur noch ein gewünschtes Moment bzw. eine gewünschte Last der Brenn- kraftmaschine 10 an das Ventilsteuergerät 1 zu übermitteln, kann das Betriebssteuergerät 9 natürlich auch Zündwinkel, Einspritzzeit sowie Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder an das Ventilsteuergerät übertragen, das die Endstufen 4,2,3, 6 dann entsprechend ansteuert.

Die Zusammenfassung der Endstufen für Zündung, Einspritzung und elektromechanische Ventilbetätigung vereinigt alle für den thermischen Verbrennungsprozeß maßgeblichen Endstufen in einem Gerät.

Vorteilhafterweise hat das Betriebssteuergerät 9 lediglich noch einen Eingriff an einer Drosselklappe. Dies dient sozu- sagen als"Not-Aus"-Schalter, da das Betriebssteuergerät 9 durch Drosselklappeneingriff die Brennkraftmaschine 10 dros- seln kann, wenn aus irgendeinem Grunde die Laststeuerung über die Einlaßventile 5a vom Ventilsteuergerät 1 nicht korrekt vorgenommen wird.