DE102004021183A1

DE102004021183A1 - Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004021183A1
Application number: DE102004021183A
Authority: DE
Inventors: Peter Wastl; Michael Kuhn
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: DE102004021183B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine zwischen zumindest einer ersten Betriebsart mit einem Teillastbetrieb und einer zweiten Betriebsart mit einem Volllastbetrieb. Für ein drehmomentneutrales Umschalten wird zwischen den Betriebsarten das Luftverhältnis abhängig vom Drehmoment eingestellt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit einer variablen Ventilsteuerung bekannt, wobei letztere es ermöglichen soll, einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Abgasemissionen bei hohen Drehzahlen in einem Hochlastbereich, mittleren Drehzahlen in einem Teillastbereich mit hohem Drehmoment und auch niedrigen Drehzahlen zu erreichen. Zur variablen Ventilsteuerung ist dabei vorgeschlagen worden, die Nockenwelle bedarfsweise radial gegenüber der Kurbelwelle zu verdrehen. Da üblicherweise die Einlassventile von Brennkraftmaschinen von einer Nockenwelle betätigt werden, kann damit der Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Ventile beeinflusst werden. Dabei wird die Ventilhubkurve von der Hubkontur des Nockens festgelegt. Durch die Verdrehung der Nockenwelle ist es daher möglich, die Phasenlage der Ventilhubkurve zwischen zwei Einstellungen zu verändern.

Zur Steuerung eines Einlassventils ist ferner aus dem Stand der Technik die Verwendung von zwei Nocken mit unterschiedlicher Hubkontur bekannt. Aus der DE 41 35 965 A1 ist beispielsweise bekannt, eine Leistungsnocke zu verwenden, mit der ein hohes Abtriebsdrehmoment an der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann sowie ferner eine Sparnocke zu verwenden, mit der ein günstiger Kraftstoffverbrauch ermöglicht wird. Mittels einer Nockenumschalteinrichtung wird in einem vorgegebenen Umschaltbereich eine Umschaltung von der einen auf die andere Nocke vorgenommen. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen stellt sich dabei das Problem, dass verschiedene Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine und in der Folge auch das Drehmoment diskontinuierlich geändert werden. Zur Vermeidung einer derartigen Veränderung ist aus der DE 41 35 965 A1 bekannt, die Ansteuerung einer Drosselklappe und die Vorgabe eines Zündwinkels zu synchronisieren. Eine derartige Steuerung muss relativ genau erfolgen und erfordert daher einen hohen Aufwand, da andernfalls Drehmomentsprünge mit entsprechenden Beschleunigungen bzw. Verzögerungen im Betrieb der Brennkraft maschine erfolgen können. Insbesondere direkt einspritzende Motoren benötigen jedoch eine außerordentlich genaue Steuerung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechende Brennkraftmaschine zu schaffen, mit denen ein drehmomentneutrales Umschalten auf eine relativ einfache Weise realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer ersten Betriebsart mit einem Teillastbetrieb und einer zweiten Betriebsart mit einem Volllastbetrieb wird für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten das Luftverhältnis abhängig vom Drehmoment eingestellt. Das Luftverhältnis gibt bekanntermaßen das Verhältnis von Kraftstoff zu angebotenem Sauerstoff bei der Verbrennung des Kraftstoffs an. Bevorzugt erfolgt ein Fettigkeitseingriff. Erfindungsgemäß kann über das Luftverhältnis sowohl das Drehmoment als auch der Wirkungsgrad günstig beeinflusst werden. Durch die erfindungsgemäße Einstellung des Luftverhältnisses abhängig vom Drehmoment erfolgt eine Kompensation einer Drehmomentdifferenz zwischen Teillastbetrieb und Volllastbetrieb, welche unabhängig von einer spezifischen Umschalt-Methode für alle Arten von Momentensprüngen geeignet und insbesondere bei direkteinspritzenden Motoren sehr vorteilhaft einsetzbar ist. Eine günstige Umschalt-Methode ist beispielsweise eine Ventilhubumschaltung mit Volllastnocken und Teillastnocken.
Günstig ist, das Luftverhältnis abhängig von einer Drehmomentdifferenz zwischen Teillastbetrieb und Volllastbetrieb einzustellen. Vorzugsweise ist die Drehmomentdifferenz möglichst klein. Beim Umschalten kann eine praktisch vollständige Momentenkompensation erfolgen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei einer Umschaltung das Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern zylinderselektiv eingestellt. Vorteilhaft ist weiterhin, das Luftverhältnis zyklusselektiv einzustellen, so dass die Momentenkompen sation zyklusgenau erfolgen kann. Als Zyklus ist ein abgeschlossener Ablauf von einzelnen aufeinanderfolgenden Takten in einem einzigen Zylinder zu verstehen. Nach Ablauf des Zyklus wiederholen sich die Takte. Bei einem Viertakt-Motor ist dies beispielsweise ein Ablauf mit Ansaugen von Verbrennungsluft mittels eines Ansaughub eines Kolbens im Zylinder, Verdichten der Verbrennungsluft durch einen Kompressionshub des Kolbens, Verbrennen eines eingeführten Kraftstoffs, insbesondere eines direkt in eine Brennkammer des Zylinders eingespritzten Kraftstoffs, sowie Ausstoßen des Verbrennungsprodukts aus dem Brennraum. Der nächste Zyklus beginnt wieder mit einem Ansaugen von Verbrennungsluft. Bei einem Viertaktmotor benötigt jeder Takt eine halbe Kurbelwellenumdrehung, während die Nockenwelle, welche die Einlassventile und Auslassventile des Zylinders betätigt, nur halb so schnell dreht. Das Luftverhältnis kann individuell eingestellt werden. Selbstverständlich kann das Luftverhältnis auch bei einem Zweitakt-Motor entsprechend dem Zweitaktzyklus zyklusselektiv eingestellt werden.
Ein oder mehrere einzelne Zylinder können ausgeblendet werden, so dass beispielsweise genau diejenigen Zylinder ausgeblendet werden, die bekanntermaßen zuerst umgeschaltet werden und auf Grund eines noch nicht angepassten Saugrohrdrucks eine unerwünscht hohe Differenz im Momentenbeitrag gegenüber noch nicht geschalteten Zylindern aufweisen. Beispielsweise kann eine Zündung des oder der Zylinder ausgeblendet werden. Bei der Umschaltung von einem Teillastbetrieb auf einen Volllastbetrieb kann ein Drehmomentsprung daraus resultieren, dass – beispielsweise bei einer Ventilhubumschaltung- bei dem Betrieb mit dem Kleinnocken der Motor nahezu entdrosselt, d.h. mit hohem Saugrohrdruck betrieben wird. Bei einer Umschaltung auf den Volllastbetrieb, beispielsweise bei Ventilhubumschaltung auf einen Volllastnocken, wird aufgrund des hohen Saugrohrdrucks ohne weitere Maßnahmen kurzfristig ein hohes Drehmoment von der Brennkraftmaschine abgegeben. Dies kann auch in Umkehrung gelten. Zur Reduzierung eines Energieeintrags durch Kraftstoff in die Brennkraftmaschine bei hohem Saugrohrdruck und einem Betrieb mit Volllast wird daher erfindungsgemäß ein geeignet eingestelltes Luftverhältnis eingestellt.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist abgesehen von ihren gattungsgemäßen Merkmalen für ein drehmomentneutrales Umschalten vorgesehen, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillastbetrieb und Volllastbetrieb das Luftverhältnis abhängig vom Drehmoment einstellbar ist. Hiermit können wenigstens während des Umschaltens zwei individuell optimierte Betriebsbereiche bei niedrigen und/oder mittleren Drehzahlen bzw. hohen Drehzahlen ermöglicht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet Anwendung bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei der in einem Brennraum eines Zylinders ein Kraftstoff-Luft-Bindegemisch gezündet wird. Eine derartige Brennkraftmaschine umfasst mehrere Zylinder, in deren Brennraum jeweils über mindestens ein Einlassventil und ein Ansaugrohr Verbrennungsluft zugeführt wird. Zur Bereitstellung des Kraftstoffs ist ein Kraftstoffsystem vorgesehen. Das Ansaugrohr kann durch eine Drosselklappe verengt werden. Einlass- und Auslassventil eines Zylinders werden jeweils von einer Einlassnockenwelle und einer Auslassnockenwelle oder von einer einzigen Nockenwelle betätigt. Gegebenenfalls können die Nockenwellen durch Aktoren verstellt werden. Gegebenenfalls erfolgt ferner eine Erfassung der Winkelstellung der jeweiligen Nockenwelle durch einen Sensor. Die Nockenwelle wird von einer Kurbelwelle her angetrieben, deren Winkelstellung und Drehzahl gegebenenfalls von einem Sensor erfasst werden kann. Zur Steuerung bzw. Regelung der verschiedenen Motorfunktionen ist ferner ein Motorsteuergerät vorgesehen, das Signale von Sensoren für Drehzahl, Drosselklappenstellung, den genannten Sensoren für die Erfassung von Parametern der Kurbelwelle, der Nockenwelle und dergleichen sowie einer Last- oder Leistungsanforderung umfasst.
In einer günstigen Ausgestaltung ist ein Nockenumschaltsystem mit einer Teillastnocke und einer Volllastnocke für einen Teillastbetrieb bzw. einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine zur Ventilhubumschaltung vorgesehen. Die Nocken weisen Hubkonturen zur Festlegung des Ventilhubs aus. Dabei wird als Volllastnocke die Nocke mit der Kontur bezeichnet, mit der bei einem Ladungswechsel der für Volllast erforderliche Luftaufwand des Motors zur Verfügung gestellt werden kann. Im Allgemeinen ist der maximale Ventilhub bei Volllast größer als bei Teillast.
Das Nockenumschaltsystem ermöglicht eine zyklusgenaue Umschaltung vom Teillastnocken in den Volllastnocken. Zusätzlich kann eine Zünd-Ausblendung einzelner Zylinder so gesteuert werden, dass genau die Zylinder umgeschaltet werden, von denen bekannt ist, dass diese zuerst umgeschaltet werden und bei denen der Saugrohrdruck noch nicht angepasst ist und daher eine große Differenz im Momentenbeitrag gegenüber noch nicht geschalteten Zylindern aufweisen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Ventilhubumschaltung beschränkt, sondern für alle Arten von Umschalt-Methoden zwischen Teillast und Volllast geeignet.

Claims

Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine zwischen mindestens einer ersten Betriebsart mit einem Teillastbetrieb und einer zweiten Betriebsart mit einem Volllastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten das Luftverhältnis abhängig vom Drehmoment eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis abhängig von einer Drehmomentdifferenz zwischen Teillastbetrieb mit Teillastnocken und Volllastbetrieb mit Volllastnocken eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis zylinderselektiv eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis zyklusselektiv eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündung eines oder mehrerer Zylinder ausgeblendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung desjenigen Zylinders in einem Zyklus ausgeblendet wird, bei dem zuerst zwischen den Betriebsarten Teillastbetrieb und Volllastbetrieb umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung desjenigen Zylinders in einem Zyklus ausgeblendet wird, bei dem zuerst zwischen Teillastnocken und Volllastnocken umgeschaltet wird.
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil und einem Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillastnocke und einer Volllastnocke für einen Teillastbetrieb bzw. Volllastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillastbetrieb und Volllastbetrieb das Luftverhältnis abhängig vom Drehmoment einstellbar ist.