Hintergrund der Erfindung In der DE 100 06 018 A1 ist ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor offenbart, der einen vollvariablen, mechanischen Ventiltrieb aufweist, mit einer den Ven- tilhub sämtlicher Einlassventile einer Zylinderbank steuernden Verstellwelle, die zusammen mit ihrem drehfest verbundenen Verstellnocken durch einen elektromechanischen Aktuator verdrehbar ist.

Bei Verbrennungsmotoren mit vollvariablem, mechanischem Ventiltrieb erge- ben sich im niedrigen Leerlauf Ventilhübe von wenigen zehntel Millimetern.

Fertigungstoleranzen der Ventiltriebskomponenten wirken sich deshalb relativ stark aus und führen zu relativ unterschiedlichen Ventilhüben. Diese führen vor allem im niedrigen Leerlauf und im leerlaufnahen Drehzahl-und Lastbereich zu teilweise erheblichen Füllungsunterschieden zwischen den Zylindern und da- durch zu einem unruhigen Motorlauf.

Füllungsunterschiede, die durch Ventilhubunterschiede von wenigen hundert- stel Millimetern verursacht werden, sind schon spürbar. Erschwerend kommt hinzu, dass PKW-Insassen eine Drehungleichförmigkeit und Drehzahischwan- kungen des Motors im niedrigen Leerlauf aufgrund der fehlenden Fahrgeräu- sche deutlich registrieren können. Glücklicherweise steigt jedoch mit steigen- der Motordrehzahl und Motorlast auch der dafür erforderliche optimale Einlass- ventilhub rasch an. Dadurch nimmt knapp oberhalb der Leerlaufdrehzahl und bei mittleren Motorlasten eine Ventilhubabweichung kaum noch Einfluss auf die Laufruhe des Motors.

Eine Möglichkeit, die Toleranzen der Ventilhübe in den Griff zu bekommen besteht auch in einer Zusortierung von Ventiltriebskomponenten in unter- schiedliche Toleranzgruppen. Dieser Weg ist jedoch mit erheblichem Aufwand bei der Montage der Zylinderbänke verbunden. Das gleiche gilt für die Ver- wendung von Einstellvorrichtungen und Ausgleichselementen zum Ausgleichen von Toleranzen.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, für einen gattungsgemä- ßen Verbrennungsmotor mit vollvariablem mechanischen Ventiltrieb ein Verfah- ren zur Vermeidung von füllungsbedingten Drehungleichförmigkeiten, insbe- sondere im niedrigen Leerlauf und im leerlaufnahen Last-und Drehzahlbereich des Motors zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Er- fassung der füllungsabhängigen Motordaten bei laufendem Motor hat den Vor- teil, dass auch erst im Laufe des Motorbetriebs sich zeigende Einflüsse von beispielsweise Verschleiß oder temperaturbedingten Längenänderungen der Steuerungsteile oder sogar steuerungsfremde Einflüsse wie Saugrohrschwin-

gungen, erfasst und beim Ausregeln der Füllung der Zylinder mit berücksichtigt werden können. Durch entsprechend schnelle Steuergeräte werden die Daten sofort verarbeitet und in Stellbewegungen des elektromechanischen Aktuators umgesetzt. Durch dessen zylinderselektives und öffnungsphasengetreues Ver- drehen der Verstellwelle wird die Gleichstellung der Füllung der Zylinder einer Zylinderbank über die Zeitquerschnitte der Einlassventile geregelt.

Das Problem einer raschen Verstellung der Verstellwelle wird dadurch ent- schärft, dass die toleranzbedingte Drehungleichförmigkeit des Motors in erster Linie im Bereich des Leerlaufs auftritt.

Vorteilhaft sind auch die bei diesen Betriebspunkten verkürzten Öffnungszeiten der Einlassventile mit entsprechend großen Ruhephasen dazwischen.

Die Abweichungen der Ventilhübe von einem Sollwert können auch vor Inbe- triebnahme des Motors an einer montierten Zylinderbank mit einer geeigneten Vorrichtung gemessen werden. Die gemessenen Abweichungen können in dem Steuergerät des Ventiltriebs oder im zentralen Motorsteuergerät als Kennfeld hinterlegt werden. Im Motorbetrieb erfolgt dann die zylinderselektive Korrektur der Toleranzen auf Basis dieses Kennfeldes. Bei dieser Methode ist nur eine Steuerung der Füllung der Zylinder möglich. Eine Regelung, die auch während des Motorbetriebs eintretende Veränderungen berücksichtigt, lässt sich hierbei nicht verwirklichen.

Die erfindungsgemäße Regelung der Füllung der Zylinder lässt sich ohne zu- sätzlichen mechanischen Bauaufwand realisieren. Das Steuergerät muss le- diglich mit zusätzlichen Funktionen und ggf. mit einer erhöhten Rechnerlei- stung ausgestattet und die Leistungsfähigkeit des Verstellmotors etwas erhöht werden.

Insgesamt ergeben sich jedoch Kosten-und Funktionsvorteile gegenüber me- chanischen Toleranzausgleichsverfahren wie die Zupaarung der Bauteile.

Die erhöhte Laufruhe des Motors bietet in jedem Fall den Vorteil von Kosten- senkungen bei der Motorperipherie. Dies gilt z. B. bei einem Zweimassen- schwungrad oder bei der Motoraufhängung und der Geräuschdämmung.

Bei der Fertigung sind Einsparungen durch gröbere Toleranzen der Ventil- triebskomponenten möglich, da diese Toleranzen durch die Füllungsregelung ausgeglichen werden können.

Von Vorteil ist auch, dass zur Beurteilung der Füllung der einzelnen Zylinder beispielsweise die Drehungleichförmigkeit oder der Lambdawert in Verbindung mit der Einspritzmenge bzw. Einspritzdauer des Kraftstoffs oder das Signal eines Klopfsensors dienen können, also auf vorhandene Sensorsignale zuge- griffen werden kann. Die Drehungleichförmigkeit ist eine Folge unterschiedlich schnell ablaufender Arbeitstakte, die beispielsweise an Markierungen am Um- fang des Schwungrades ablesbar ist. Eine hochauflösende Lambdasonde ge- stattet in Verbindung mit kalibrierten Einspritzdüsen Rückschlüsse auf die Fül- lung der einzelnen Zylinder. Ein Klopfsensor ermöglicht über eine Körper- schallmessung die Bestimmung der Öffnungszeit der Einlassventile.

Die Drehungleichförmigkeit führt zur Korrektur der Füllung der einzelnen Zylin- der, weil in dem Steuergerät durch entsprechende Software auf Basis von Laufzeitunterschieden der Arbeitstakte der einzelnen Zylinder Anpassungskur- ven generiert werden, die von dem Aktuator zylinderselektiv und öffnungspha- sengetreu nachgefahren werden und die über die Verstellwelle zu entspre- chenden Korrekturen der Zeitquerschnitte der einzelnen Einlassventile und damit der Füllung der einzelnen Zylinder führen.

Eine besonders präzise Korrektur der Füllungswerte wird dadurch erreicht, dass die Gleichstellung der Füllung der einzelnen Zylinder in bestimmten Schritten und über eine größere Anzahl von Arbeitszyklen erfolgt, bis schließ- lich die Abweichungen unterhalb einer festgelegten Grenzschwelle liegen.

Eine besonders rasche Korrektur der Füllungswerte wird dadurch erreicht, dass der Ausgleich der füllungsbedingten Laufzeit Unterschiede der Arbeitstakte der einzelnen Zylinder durch Anpassungswerte erfolgt, die in einem Kennfeld des Steuergeräts in Abhängigkeit von beispielsweise dem Laufzeitunterschied ab- gelegt sind.

Für einen Betrieb mit optimaler Korrektur der Füllung ist es von Vorteil, dass die zuletzt benutzten Anpassungswerte beim Abstellen des Motors in einen nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts abgelegt werden und für den näch- sten Motorstart verfügbar sind.

Optimale Anpassung der Füllung auch in extremen Betriebszuständen wird dadurch erreicht, dass Anpassungswerte für Betriebszustände wie Kalt-und Heißstart sowie Kalt-und Heißbetrieb des Motors in einem Kennfeld des Steu- ergeräts abgespeichert sind.

Die zur Durchführung der Verfahrens erforderliche Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, das über eine erste elektri- sche Leitung mit einem Geber für zylinderfüllungsrelevante Signale des Ver- brennungsmotors und über eine zweite elektrische Leitung mit einem An- triebsmotor des Aktuators in Verbindung steht.

Üblicherweise ist für einen Vierzylindermotor eine einzige Verstellwelle mit dem sich verstellenden Aktuator vorgesehen. Bei einem Sechs-oder Zwölfzylinder- motor kann es mit Blick auf eine Zylinderabschaltung sinnvoll sein, Gruppen von drei Zylindern mit je einer eigenen Verstellwelle und einem dazugehörigen Aktuator zu versehen, die abwechselnd in Aktion treten. Dadurch kann jeweils die Hälfte der Zylinder durch Nullhubeinstellung abgestellt werden, trotzdem würden alle Zylinder betriebswarm bleiben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- schreibung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen : Figur 1a eine Seitenansicht eines elektromechanischen Aktuators in Achsrichtung der Verstellwelle gesehen ; Figur 1 b eine Seitenansicht des Aktuators von Figur 1 a, jedoch quer zur Verstellwelle gesehen und mit einem Schaltschema ei- ner Vorrichtung zur Gleichstellung der Füllung der Zylin- der ; Figur 2-ein Diagramm mit Kurbelwellensignalen von Zündzeit- punkten in der Zündfolge eines Vierzylindermotors ; Figur 3 eine zu dem Diagramm von Figur 2 passende Ausgleichs- kurve für den Aktuator zum Korrigieren des Ventilhubs der Einlassventile eines Vierzylindermotors ; Figur 4 ein Programmablaufplan für die Prozedur des elektrome- chanischen Toleranzausgleichs der Füllung der Zylinder.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Die Figuren 1a und 1b zeigen eine Verstellwelle 1 mit Verstelfnocken 2 für ei- nen nicht dargestellten vollvariablen, mechanischen Ventiltrieb eines mehrzy- lindrigen Verbrennungsmotors 14 und einen elektromechanischen Aktuator 3 für die Verstellwelle 1.

Der Aktuator 3 weist einen Verstellhebel 4, einen Gabelhebel 5, einen Spindel- trieb 6 und einen Elektromotor 7 auf. Der Spindeltrieb 6 besteht aus einer Spindelmutter 8 mit einer darin geführten Gewindespindel 9.

Der Verstellhebel 4 ist mit der Verstellwelle 1 verdrehfest verbunden. Das ge- gabelte Ende des Verstellhebeis 4 steht über einen Lagerbolzen 10 mit dem Gabelhebel 5 in Verbindung.

Der Gabelhebel 5 und die Spindelmutter 8 weisen zwei sie gelenkig verbinden- de andere Lagerbolzen 11 mit einer gemeinsamen Achse auf, die durch die Mitte und die Achse der Spindelmutter 8 verläuft. Auf diese Weise ist die Spin- delmutter 8 gegen Verdrehen gesichert.

Die Gewindespindel 9 und eine Elektromotorenwelle 12 sind einstückig ausge- bildet. Dadurch entfällt eine sonst erforderliche Kupplung zwischen Gewinde- spindel 9 und Elektromotorwelle 12, wodurch sich eine kompakte, steife und einfache Bauform des Aktuators 3 ergibt.

Die Elektromotorwelle 12 weist zwei Lager und die Gewindespindel 9 ein zu- sätzliches Stützlager 13 auf. Letzteres ist wegen der von dem Gabelhebel 5 über die Spindelmutter 8 auf die Gewindespindel 9 übertragenen hohen Quer- kräfte erforderlich. Alle drei Lager sind zylinderkopffest angeordnet, eines da- von ist als Festlager ausgebildet.

Zur Minimierung des Spiels im Spindeltrieb kann dieser vorgespannt ausge- führt werden. Die Vorspannung kann z. B. durch Wälzkörper mit Übermaß er- reicht werden.

Die geringe Reibung des Aktuators erlaubt die Verwendung eines drehmo- mentschwachen Elektromotors 7, der das Bordnetz nur gering belastet.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Elektromotor 7 und der Verstell- welle 1 ist durch die Länge des Verstellhebels 4 und des Gabelhebels 5 sowie durch die Steigung und Anstellung der Gewindespindel 9 bestimmt. Mit diesen relativ einfachen und damit kostengünstigen mechanischen Bauelementen kann ein hohes Untersetzungsverhältnis zwischen dem Elektromotor 7 und der Verstellwelle 1 erzielt werden. Dies gilt besonders für die Endphase der Ver- stellbewegung, in welcher der Gabelhebel 5 in etwa senkrecht zur Gewinde- spindel 9 steht und dabei ein hohes Übersetzungsverhältnis bewirkt und gleichzeitig ein niedriges Antriebsmoment erfordert.

Der Aktuator 3 kann in beliebiger Längs-und Winkellage an der Verstellwelle 1 angebaut und so den Einbaubedingungen des Verbrennungsmotors 14 ange- passt werden.

Der Aktuator 3 zeichnet sich durch einfache, steife und kompakte Bauweise aus. Er erreicht durch geringes Spiel hohe Positioniergenauigkeit und durch geringe Reibung hohe Verstellgeschwindigkeit bei niedriger Bordnetzbela- stung.

Er ist dadurch in besonderer Weise für eine Vorrichtung 21 zur Verwirklichung eines Verfahrens zum Gleichstellen der Füllung der einzelnen Zylinder des in Figur 1b dargestellten mehrzylindrigen Verbrennungsmotors 14 geeignet. Die Vorrichtung 21 benötigt zusätzlich zu dem vorhandenen Aktuator 3 lediglich ein Steuergerät 15, das über eine erste elektrische Leitung 17 mit einem die Dre- hungleichförmigkeit der Kurbelwelle messenden Geber 16 und über eine zweite elektrische Leitung 18 mit dem Elektromotor 7 des Aktuators 3 verbunden ist.

Die bei eingebautem Aktuator 3 ohnehin vorhandene Wirkverbindung zwischen den Verstellnocken 2 und dem variablen, mechanischen Ventiltrieb 20 ist durch eine gestrichelte Linie 19 angedeutet.

Das Steuergerät 15 kann Teil eines zentralen Motorsteuergeräts, in dieses integriert sein, oder eines speziellen Steuergeräts der Vorrichtung 21 sein. Ggf. müssen deren Rechnerkapazität und Funktionsumfang erhöht werden.

Der apparative Mehraufwand für die Vorrichtung reduziert sich auf den Geber 16 (zum Teil bereits vorhanden) und eventuell auf einen leistungsfähigeren Elektromotor 7. Es werden keinerlei zusätzliche mechanische Bauteile benötigt.

Die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 14 ist in einem Diagramm der Figur 2 dargestellt und zwar auf einer Zeitachse in Grad Nockenwinkel als unterschiedlicher zeitlicher Abstand der Trägersignale bzw.

Zündzeitpunkte ZOT eines Vierzylinder-Viertaktmotors in dessen Zündfolge 1- 3-4-2. Der zeitliche Abstand der Zündzeitpunkte ZOT entspricht der Zeitdauer der jeweiligen Arbeitstakte, die von der Füllung der einzelnen Zylinder abhängt.

Kurze Arbeitstaktzeiten entsprechen einer hohen Füllung mit rasanter Verbren- nung, lange einer geringen Füllung mit schleppender Verbrennung.

In Figur 3 ist ein Diagramm dargestellt, das auf das Diagramm von Figur 2 ab- gestimmt ist. Auf der Abszisse sind in Grad Nockenwinkel die Überschnei- dungstotpunkte ÜOT der Zylinder in der Zündfolge 1-3-4-2 des Vierzylinder- Viertaktmotors aufgezeichnet. Auf der Ordinate sind die Hubdifferenzen der Einlassventilhübe gegenüber einer Linie 23 aufgetragen, die den gemittelten Einlassventilhub für den jeweils aktuellen Betriebszustand darstellt. Zwischen den Überschneidungstotpunkten ÜOT sind Ausgleichskurven 22 dargestellt, die durch entsprechende Auswertung der Gebersignale in Verbindung mit ent- sprechender Software auf Basis der unterschiedlichen Arbeitstaktzeiten im Steuergerät 15 generiert wurden. Die Ausgleichskurven 22 wirken den tole- ranzbedingten Füllungsunterschieden durch Ventilhubkorrekturen entgegen.

Sie überschreiten bei Zylindern mit zu geringer Füllung die Linie 23 (gleich Ventilhubvergrößerung) und unterschreiten dieselbe bei Zylindern mit zu hoher Füllung (gleich Ventilhubverkleinerung).

Die Ausgleichskurven 22 werden von dem Aktuator 3 phasengerecht nachge- fahren. So wird der jeweilige Ventilhub und die damit verbundene Einlassdauer angepasst. Dabei ist für eine gleichmäßige Füllung weniger der gleiche Ventil- hub als vielmehr der gleiche Zeitquerschnitt der Einlassventile ausschlagge- bend.

Es ist auch möglich, die Werte der Ausgleichskurven 22 stufenweise zu errei- chen, was in bestimmten Schritten über eine größere Folge von Arbeitsspielen solange erfolgen kann, bis schließlich die Laufzeitunterschiede der Arbeitstakte der einzelnen Zylinder unterhalb einer festgelegten Grenzwertschwelle liegen.

Das in Figur 4 dargestellte Ablaufdiagramm bezieht sich ausschließlich auf die Routine, die den elektromechanischen Toleranzausgleich regelt. Weitere Mo- torsteuergerätefunktionen für z. B. Gemischaufbereitung, Fahrerwunschaus- wertung, Abgasnachbehandlung etc. laufen dabei parallel ab und sind im Ab- laufdiagramm nicht dargestellt.

Nach dem Motorstart wird durch eine Prozedur (Position 24) überprüft, ob aus vorangegangen Motorläufen Ausgleichswerte für den elektromechanischen Toleranzausgleich (im Folgenden kurz EMT genannt) vorhanden sind. Falls keine Werte vorliegen, wird mit Standardwerten, z. B. Null, gestartet.

Dann wird überprüft, ob die aktuelle Motordrehzahl und der Betriebszustand für den EMT vorgesehen sind (Position 25). Der Verbrennungsmotor wird ohne EMT z. B. bei Motordrehzahlen oberhalb einer Grenzdrehzahl oder im Schub- betrieb (bei Schubabschaltung) gefahren (Position 26). Liegt ein sinnvoller Betriebsbereich vor, werden die Ausgleichskurven durch den Aktuator umge- setzt (Position 26). Ist dies nicht der Fall, findet keine zylinderselektive Ventil- hubmodulation statt (Position 27).

Während des Laufs mit EMT werden durch das Steuergerät und geeignete Algorithmen die Gleichlaufschwankungen zwischen den einzelnen Zylindern

ermittelt (Position 28). Falls diese außerhalb einer gewissen Toleranzgrenze liegen (Position 29), erfolgt eine Adaption der Anpassungswerte und eine ent- sprechende Veränderung der Anpassungskurve (Position 30), die durch den Aktuator beim nächsten Durchlauf der Schleife nachgefahren werden soll. Lie- gen die Laufzeit-bzw. Füllungsunterschiede innerhalb der Toleranzgrenze, bleiben die Werte unverändert (Pfad siehe Position 31).

Falls der Motor abgestellt wird (Position 32), werden die Ausgleichwerte für die jeweiligen Zylinder in einem nicht flüchtigen Speicher des Motorsteuergerätes abgelegt. Andernfalls wird die Schleife neu durchlaufen (Pfad siehe Position 33).

Bezugszahlen 1 Verstellwelle 2 Verstellnocken 3 elektromechanischer Aktuator 4 Verstellhebel 5 Gabelhebel 6 Spindeltrieb 7 Elektromotor 8 Spindelmutter 9 Gewindespindel 10 Lagerbolzen 11 anderer Lagerbolzen 12 Elektromotorwelle 13 Stützlager 14 Verbrennungsmotor 15 Steuergerät 16 füllungsrelevanter Geber 17 erste elektrische Leitung 18 zweite elektrische Leitung 19 Wirkverbindung 20 vollvariabler, mechanischer Ventiltrieb 21 Vorrichtung zur Gleichstellung der Füllung 22 Ausgleichskurve 23 Linie 24 bis 33 Position des Ablaufdiagramms