DE102004011652B4

DE102004011652B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine im Motorbremsbetrieb

Info

Publication number: DE102004011652B4
Application number: DE102004011652A
Authority: DE
Inventors: Fabian Balles; Gregor Dr. Rottenkolber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: WO2005088105A1; US20070062487A1; US7308886B2; DE102004011652A1; EP1725756A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs im Motorbremsbetrieb in dem die Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem nicht befeuerten Zylinder betrieben wird und wobei die Brennkraftmaschine (2) variabel steuerbare Ventiltriebe (4) für Einlass- und Auslassventile eines jeden Zylinders sowie eine Ladereinrichtung (8) zur Erhöhung des Druckes im Ansaugtrakt der Zylinder aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Einlassventile und die Auslassventile zur Einstellung eines bestimmten durch Verdichtung der Luftmasse in zumindest einem unbefeuerten Zylinder einstellbaren Bremsmomentes angesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs im Motorbremsbetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Motorbrems- bzw. Schubbetrieb, in welchem der Brennkraftmaschine kein weiterer Kraftstoff zugeführt wird und somit eine weitere Verbrennung unterbunden wird, erzielt jede Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs aufgrund der zu verrichtenden Ladungswechselarbeit eine gewisse Bremswirkung. Im Gegensatz zu konventionell gesteuerten Brennkraftmaschinen, die aufgrund ihrer mechanisch angesteuerten Ventiltriebe mit festen Steuerzeiten und Ventilhüben über ein vorgegebenes in der Regel sehr geringes Bremsmoment verfügen, erzeugen Brennkraftmaschinen mit variabel einstellbaren Ventiltrieben (frei einstellbare Steuerzeiten), wie z.B. mit elektromagnetischen Ventiltrieben, ein variabel steuerbares Bremsmoment höheren Ausmaßes. In der DE 195 46 652 A1 . wird ein Verfahren zur Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit eines mit einem Kollisionsvermeidungssystem ausgerüsteten Fahrzeugs beschrieben, bei dem eine abstandsabhängige Abbremsung des Fahrzeugs dadurch erfolgt, dass bei der mit variablem Ventiltrieb ausgestatteten Brennkraftmaschine mindestens ein Zylinder auf Kompressorbetrieb umgesteuert wird.

Ferner ist aus der DE 101 43 330 A1 eine Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine mit einem überschüssigen Hydraulikförderstrom einer Hydraulikpumpe zur Ansteuerung der Ventile weitere hydraulische Verbraucher – wie eine Ladereinrichtung zur Verdichtung der zur Verbrennung benötigten Luft – speist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung bereitzustellen, mittels dem eine einstellbare erhöhte Motorbremswirkung erreicht wird. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung soll ein spontanes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere im Schubbetrieb, gewährleistet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die gesteuerte Verdichtung (Steuerung der Auslassventile) einer einstellbaren Luftmasse (Steuerung der Einlassventile) im Brennraum zumindest eines abgeschalteten (bzw. unbefeuerten, also eines zumindest nicht mit Kraftstoff versorgten Zylinderbrennraums) Zylinders kann ein erhöhtes einstellbares Bremsmoment zur Abbremsung des Fahrzeugs generiert werden.

Des Weiteren kann durch die Erzeugung eines Druckimpulses, der aufgrund der gezielten Ansteuerung der Auslassventile zur spontanen Freigabe der zuvor verdichteten Luftmasse (in Abhängigkeit der Ansteuerung der Einlassventile) erzeugt wird sowie der gezielten Beaufschlagung einer Ladereinrichtung mit diesem Druckimpuls zu jeder Zeit ein spontanes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine gewährleistet werden. Durch den in jedem Arbeitszyklus erzeugten Druckimpuls kann die Turbine der Ladereinrichtung stets auf einer deutlich erhöhten Drehzahl gehalten werden. Das träge Anlaufverhalten der herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit Ladereinrichtung, deren Turbinen ausgehend von einer sehr niedrigen Drehzahl beschleunigt werden müssen, wird durch den Gegenstand der Erfindung erfolgreich vermieden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden zur Erzeugung eines Impulses maximalen Druckes alle Einlassventile aller zur Erzeugung der Bremswirkung eingebundenen Zylinder (vorzugsweise aller Zylinder) derart angesteuert, dass eine größtmögliche Luftmasse in den Zylinderbrennraum angesaugt wird (dies entspricht in etwa einer Ansteuerung der Einlassventile gemäß einem Volllastbetrieb) und die Auslassventile aller Zylinder derart angesteuert, dass eine Freigabe der komprimierten Luftmasse erst kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens (OT) erfolgt.

Die Einstellung des gewünschten Bremsmoments erfolgt mit Vorteil durch die Art der Ansteuerung der Ventile, kann alternativ oder zusätzlich aber auch durch die Umschaltung zwischen verschiedenen Motorbetriebsarten (2-Taktbetrieb, 4-Taktbetrieb oder dergleichen) und/oder durch die variierbare Anzahl der für den Bremsbetrieb verwendeten Zylinder erfolgen.

Die Einstellung des Bremsmoments durch die Ansteuerung der Ventile kann realisiert werden, indem in einer ersten Ausgestaltung die Einlassventile gemäß einem Volllastbetrieb (Einlass der größtmöglichen Luftmasse) und die Auslassventile zur Einstellung des Kompressionsgrades der durch die Einlassventile bereitgestellten Luftmasse variabel angesteuert werden. In einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, bei möglichst spät vor OT öffnenden Auslassventilen die Einlassventile variabel zur Einstellstellung des Bremsdruckes anzusteuern. Eine dritte Ausführungsmöglichkeit sieht schließlich vor sowohl Einlassventile als auch Auslassventile für die Einstellung eines gewünschten Bremsmoments variabel anzusteuern.

Zur Einstellung des gewünschten Bremsmoments mittels unterschiedlicher Betriebsarten können die nicht befeuerten Zylinder beispielsweise zwischen einem Zweitaktbetrieb und einem Viertaktbetrieb hin- und hergeschaltet werden und/oder die Anzahl der nicht befeuerten Zylinder variiert werden. Da im Viertaktbetrieb je eine Kompression und eine Expansion zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bremstakten stattfindet und diese nicht nennenswert zur Bremswirkung beitragen, ist eine optimale Kombination aus zu erreichender Bremswirkung und hoher Drehzahl der Ladereinrichtung im Zweitaktbetrieb zu erzielen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit elektromagnetischem Ventiltrieb und Ladereinrichtung,
2: ein Diagramm mit Kurven für die Ansteuerung von Ein- und Auslassventilen eines Zylinders im Viertaktbetrieb,
3a: ein Diagramm – darstellend den Verlauf der Ventilhübe von Einlass- und Auslassventilen bei Ansteuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im Viertaktbetrieb und der hieraus resultierenden Abgasdynamik,
3b: ein p-V-Zustandsdiagramm gemäß dem Betriebszustand in 3a,
4a: ein Diagramm mit dem Verlauf der Ventilhübe von Einlass- und Auslassventilen bei Ansteuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zweitaktbetrieb und der hieraus resultierenden Abgasdynamik, und
4b: ein p-V-Zustandsdiagramm gemäß dem Betriebszustand in 4a.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 mit elektromagnetischem Ventiltrieb 4 und einer Steuereinrichtung 6 zur gezielten Ansteuerung des elektromagnetischen Ventiltriebs 4. Die Brennkraftmaschine 2 ist dabei abgasseitig über eine Abgasleitung 10 und ansaugseitig über eine Ansaugleitung 20 mit einer Ladereinrichtung 8 verbunden. Durch den von der Brennkraftmaschine 2 erzeugten Abgasstrom ist die Ladereinrichtung 8 über ihr Turbinenrad 8a antreibbar. Das Turbinenrad 8a der Ladereinrichtung 8 ist über eine Welle 8c mit einem Verdichterrad 8b verbunden, so dass durch den Antrieb des Turbinenrades 8a und den damit zwangsweise verbundenen Antrieb des Verdichterrades 8b Frischluft von außen angesaugt und im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 2 verdichtet wird. Hierdurch sind deutliche Leistungssteigerungen der Brennkraftmaschine gerade in mittleren Drehzahlbereichen möglich. Da der im Leerlauf oder im Schubbetrieb entstehende Abgasstrom bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik nicht ausreicht, um die Ladereinrichtung 8 auf eine entsprechende vorgehaltene Drehzahl zu beschleunigen bzw. beschleunigt zu halten, muss bislang für jeden Beschleunigungsvorgang aus einem Schubbetrieb heraus die Trägheit der Ladereinrichtung erneut überwunden werden. Dies spürt der Benutzer des Fahrzeugs durch das sogenannte Turboloch, aufgrund dessen eine verstärkte Leistungsentfaltung erst merklich verspätet einsetzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem im Brems- bzw. Schubbetrieb gezielt Bremsmoment durch Ansteuerung der Einlass- und der Auslassventile aufgebaut wird, kann im Vergleich zum Betrieb gemäß dem Stand der Technik ein deutlich höheres Bremsmoment aufgebaut werden. Durch die gezielte Ansteuerung der Einlassventile (insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei ungedrosselten Motoren – d.h. bei Motoren ohne Drosselklappe) kann im Schub- bzw. Bremsbetrieb beispielsweise deutlich mehr Luft (z.B. Luftbefüllung gemäß Volllast) als im Normalfall zur Verdichtung in den Brennraum eingelassen werden und durch die gezielte Ansteuerung der Auslassventile, beispielsweise durch die Öffnung der Auslassventile kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes für den Kolben, die im Brennraum zur Verdichtung (und damit zur Erzeugung des Bremsmoments) zur Verfügung stehende Luftmasse im größtmöglichen Ausmaß komprimiert und so ein maximales Bremsmoment erreicht werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die verdichtete Luftmasse, die für den Aufbau des Bremsmoments benötigt wurde gezielt freigesetzt derart, dass ein Druckimpuls über den Abgastrakt auf die Ladereinrichtung 8 geführt und die Ladereinrichtung 8 so während des Motorbremsvorgangs bereits auf eine erhöhte Drehzahl vorbeschleunigt wird. Hierdurch ist ein deutlich verbessertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine realisierbar, bei dem bereits zu einem erheblich früheren Zeitpunkt die Leistungssteigerung der Ladereinrichtung 8 wirksam wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl im Zweitaktbetrieb als auch im Viertaktbetrieb oder in Betriebsarten mit anderen Taktraten anwendbar. Eine bevorzugte Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer Ventilansteuerung der nicht befeuerten Zylinder gemäß einem Zweitaktbetrieb. Hier kann im Gegensatz zum Viertaktbetrieb jeder Kompressionsvorgang in ein zusätzliches Bremsmoment und einen an die Ladereinrichtung 8 weiterleitbaren Druckimpuls umgesetzt werden.
Um den Überdruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 2 unter Aufrechterhaltung der Drehzahl der Ladereinrichtung 8 zu begrenzen findet vorzugsweise ein in der Ansaugleitung 20 angeordnetes Umluftventil 22 Verwendung. Dieses Umluftventil ist über eine Motorsteuereinrichtung MSE entsprechend ansteuerbar, so dass der Druck im Ansaugtrakt bei Aufrechterhaltung der Laderdrehzahl regulierbar ist. Darüber hinaus kann ein Ladedruckbegrenzungsventil 12 in der Abgasleitung 12 oder in der Ladereinrichtung 8 selbst vorhanden sein, welches ebenfalls über die Motorsteuereinrichtung MSE ansteuerbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von speziellen Wirkprinzipien der variablen Ventilsteuerung – wesentlich ist lediglich, dass die Ventilsteuerzeiten von Einlass- und Auslassventilen, variabel zu steuern sind. Bevorzugt findet das Verfahren Anwendung bei elektromagnetischen Ventiltrieben mit Hub- oder Drehaktuatoren.
Ausgehend von einer durchschnittlichen Brennkraftmaschine, bei der im Schubbetrieb abhängig von der jeweiligen Brennkraftmaschine Laderdrehzahlen definierter Größe realisiert werden, kann diese Drehzahl durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits im Viertaktbetrieb auf Laderdrehzahlen gesteigert werden, die im Bereich von 60% bis 70% der Drehzahl bei Volllast liegen. Im Zweitaktbetrieb sind noch erheblich höhere Laderdrehzahlen im Motorbremsbetrieb erzielbar.
Die 2 veranschaulicht schematisch die Ansteuerung von Einlass- und Auslassventilen eines Zylinders im Viertaktbetrieb. Die durchgehend dargestellten Kurvenverläufe EV sind dabei den Einlassventilen und die strichpunktierten Kurvenverläufe AV den Auslassventilen zugeordnet. Im oberen Diagramm ist das Ansteuerverhalten bzw. der Wegverlauf der angesteuerten Ein- und Auslassventile in einem befeuerten Betrieb für einen EVT-Motor (Motor mit elektromagnetischen Ventiltrieb) dargestellt. Im unteren Diagramm ist das Ansteuerverhalten bzw. der Wegverlauf der angesteuerten Ein- und Auslassventile in einem zumindest zum Teil unbefeuerten Betrieb eines EVT-Motors (Bremsbetrieb) dargestellt, wobei die Einstellung der Motorbremswirkung durch eine veränderte Ansteuerung der Ein- und Auslassventile bewerkstelligt werden kann.
Gemäß der Erfindung werden zusätzlich zur verzögerten Öffnung der Auslassventile im Brems- bzw. Schubbetrieb die Einlassventile des für die Bremswirkung verwendeten Zylinders angesteuert derart, dass entweder eine Befüllung des Zylinderbrennraums mit einer erhöhten Luftmasse (Verlängerung der Ventilöffnungszeit) erfolgt und/oder die Öffnung der Einlassventile verzögert erfolgt, so dass ein zusätzliches Bremsmoment generiert wird. Durch die Doppelpfeile in den vorderen und hinteren Flanken der Kurven soll lediglich angedeutet werden, dass die Öffnung bzw. Schließung der Ein- und Auslassventile durch die erfindungsgemäße Ansteuerung zeitlich sowohl vor als auch nach hinten verlagert werden kann.
Im dargestellten Beispiel ist die vordere Flanke zur Einleitung des Öffnungsvorgangs jedes Einlassventils eines im Viertakt betriebenen Zylinders beibehalten worden, so dass ausgehend vom oberen Totpunkt des Kolbens die Luftbefüllung des Brennraums eingeleitet wird. Die hintere Flanke der Kurve, die die Einleitung des Schließvorgangs der Einlassventile darstellt, ist verzögert worden, so dass die Luftbefüllung über einen verlängerten Zeitraum erfolgen kann. Somit steht ein größeres Luftvolumen zur Komprimierung zur Verfügung. Durch das erhöhte Luftvolumen, welches komprimiert wird, in Verbindung mit einer spätest möglichen Öffnung der Auslassventile, kann ein deutlich erhöhtes Bremsmoment im Schubbetrieb erzeugt werden.
In den 3a, 3b; 4a, 4b sind die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens bei entsprechender Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile im Motorbremsbetrieb veranschaulicht. Die 3a und 4a zeigen den Ventilhub bzw. die Ansteuerung von Einlass- und Auslassventilen sowie jeweils die hieraus resultierende Abgasdynamik bzw. den hierdurch generierten Druckimpuls. Die 3b und 4b veranschaulichen jeweils den durch die Verdichtung der Luftmassen in den unbefeuerten Zylindern aufgebauten Druckverlauf in einem p-V-Diagramm. Durch die aufgrund der Pfeile angedeutete Zuordnung einzelner Zeitpunkte wird gezeigt, dass bereits kurz nach der Öffnung der Auslassventile im Zeitpunkt T1 bzw. kurz vor Erreichen des maximalen Öffnungshubes der Auslassventile im Zeitpunkt T3 im Zeitpunkt T2 in der Abgasleitung 10 der gewünschte Druckimpuls generiert wird. Naturgemäß wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem Viertaktverfahren lediglich im Zeitpunkt jedes vierten Taktes (also alle 720° Kurbel-Winkelgrad) ein entsprechender Druckimpuls generiert und eine entsprechende Bremswirkung erzeugt, während bei Kombination mit einem Zweitaktverfahren im Zeitpunkt jedes zweiten Taktes ein entsprechender Druckimpuls erzeugt wird und somit eine Verdoppelung der Bremswirkung bzw. des erzeugten Motorbremsmoments (also alle 360° Kurbel-Winkelgrad) und eine erhöhte Antriebskraft für die Ladereinheit 8 bereitgestellt wird. So ist in 3b während der ersten zwei Takte eine Kurve (Kurvenabschnitte K1.1, K1.2) laut p-V-Diagramm erzeugt, die nur eine sehr geringe Fläche einschließt, da der Druckverlauf bei nicht geöffneten Auslassventilen nahezu mit dem gleichen Kurvenverlauf wieder zu seinem Ausgangspunkt zurückkehrt. Erst während der letzten beiden Takte wird durch Öffnung der Auslassventile ein abweichender Kurvenverlauf (Kurvenabschnitte K1.3, K1.4) zum Ausgangspunkt und somit eine Kurve mit größeren einschließenden Flächenteilen erreicht. Im Vergleich hierzu ist deutlich erkennbar, dass bei Verwendung eines Zweitaktverfahrens zwei nahezu gleiche Kurvenverläufe über insgesamt vier Takte erreicht werden (4b). Da die von den Kurvenabschnitten eingeschlossen Flächeteile äquivalent zu den bewusst erzeugten Ladungswechselverlusten (Ladungswechselarbeit) sind, ist leicht erkennbar, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines Zweitaktverfahrens im Vergleich zu der Verwendung eines Viertaktverfahrens die i.w. doppelte Bremswirkung erzielbar ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs im Motorbremsbetrieb in dem die Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem nicht befeuerten Zylinder betrieben wird und wobei die Brennkraftmaschine (2) variabel steuerbare Ventiltriebe (4) für Einlass- und Auslassventile eines jeden Zylinders sowie eine Ladereinrichtung (8) zur Erhöhung des Druckes im Ansaugtrakt der Zylinder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Einlassventile und die Auslassventile zur Einstellung eines bestimmten durch Verdichtung der Luftmasse in zumindest einem unbefeuerten Zylinder einstellbaren Bremsmomentes angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladereinrichtung (8) mit einem Druckimpuls beaufschlagt wird, der durch die gezielte Ansteuerung der Auslassventile und der hierdurch freigegebenen, zuvor verdichteten Luftmasse erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile jedes nicht befeuerten Zylinders derart angesteuert werden, dass eine größtmögliche Luftmasse in den Zylinderbrennraum angesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) zur Einstellung eines gewünschten Bremsmoments zwischen einem Zweitaktbetrieb und einem Viertaktbetrieb hin- und hergeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung eines gewünschten Bremsmoments durch Ansteuerung der Auslassventile erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die gesteuerte Öffnung eines Umluftventils (22) der Überdruck im Saugrohr des Ansaugtraktes begrenzt wird.