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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine – insbesondere
einer Brennkraftmaschine für
ein Kraftfahrzeug – gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Laststeuerung bei einer Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventilantrieb
wird im wesentlichen bestimmt durch einerseits den Einlassventilhub
und/oder die Einlasssteuerzeit, während der ein Einlassventil
die Einlassöffnung
zum Brennraum freigibt und so die vorhandene Luftmasse bzw. Ladung
dem Brennraum zugeführt
werden kann (bzw. die Ladung angesaugt wird), und andererseits durch die
Dichte der vorhandenen Ladung. Die Dichte und damit die Kompression
der vorhandenen Ladung ist bei einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung wiederum
abhängig
von der Art der Ladereinrichtung als solcher sowie von der Betriebsart
und dem jeweiligen Betriebspunkt der verwendeten Ladereinrichtung.
Bei einem etwa in 1 angedeuteten
Abgasturbolader ist der vom Abgasturbolader aufgebaute Druck abhängig von
der Stellung des Ventils eines ggf. vorhandenen Bypasses und dem
im Abgastrakt vorherrschenden Zustand (Druck, Temperatur, Abgasgeschwindigkeit
...). Eine Erhöhung
der Ladungsmenge für
den Brennraum kann zum einen durch Verlängerung der Einlassventilöffnungszeit
und zum anderen durch Erhöhung
des Ladungsdruckes im Ansaugtrakt erfolgen.
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Zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Steuerung der Gaswechselventile
(im folgenden Ventile genannt) sind bereits verschiedene Verfahren
bekannt. In der MTZ Motortechnische Zeitschrift Nr. 62, Seite 44–55, Der
elektromechanische Ventiltrieb – Systembaustein
für zukünftige Antriebskonzepte,
Teil 2, aus dem Jahr 2001, wird u.a. die Laststeuerung einer Brennkraftmaschine
mit variablem Ventilantrieb anhand der Steuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt und Spätes-Einlass-Schließt beschrieben.
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Unter
dem Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt bzw.
Spätes-Einlass-Schließt wird
im Sinne der Erfindung ein Laststeuerverfahren für eine Brennkraftmaschine mit
variablem Ventilantrieb und ohne Ladereinrichtung bzw. ohne Laderbetrieb
verstanden, bei dem die jeweils aufgrund einer Lastanforderung einzustellende
Ladungsmenge über
die Öffnungszeit
bzw. die Steuerzeiten der Einlassventile geregelt wird.
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Beim
Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt erfolgt
die Ansteuerung derart, dass die Einlassventile jeweils nur genau
solange geöffnet bleiben,
bis die gewünschte
Ladungsmenge eingestellt ist (Einlassventile für Mindestdauer geöffnet). Beim
Laststeuerverfahren Spätes-Einlass-Schließt erfolgt
die Ansteuerung der Einlassventile derart, dass diese über die,
für die
gewünschte
Ladungsmenge erforderliche Zeit hinaus geöffnet sind und die dadurch
im Vergleich zur gewünschten
Mindest-Ladungsmenge zuviel angesaugte Ladungsmenge vor dem Schließen des
Einlassventils wieder ausgeschoben wird.
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Eine
Erweiterung dieser Laststeuerverfahren ist durch das bei Brennkraftmaschinen
mit einem variablen Ventilantrieb und einer Ladereinrichtung vielfach
angewandte sogenannte Miller-Verfahren bekannt, bei dem im Sinne
der Erfindung die Steuerung der gewünschten Ladungsmenge durch
die Ansteuerung der variabel steuerbaren Einlassventile gemäß einer
Laststeuerung Frühes-
oder Spätes-Einlass-Schließt in Verbindung
mir einem aktiven Laderbetrieb erfolgt.
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Bei
herkömmlichen
Saugmotoren mit einem variablen Ventilantrieb entspricht die vorgesteuerte Last
aufgrund der Zyklenkonsistenz jederzeit – also auch im instationären Motorbetrieb – der tatsächlich vorhandenen
Motorlast. Problematisch ist, dass bei einem aufgeladenen Motor
mit einem variablen Ventilantrieb nicht gewährleistet werden kann, dass
die vorgesteuerte Last auch der tatsächlich im nächsten Zyklus vorhandenen Last
entspricht, da der Ladedruck, der für das Erreichen der gewünschten
Last erforderlich ist, nicht im darauffolgenden Arbeitsspiel (Zyklus)
dargestellt werden kann. Im Instationärbetrieb ist somit immer eine
Differenz zwischen dem geforderten und dem tatsächlich vorhandenen Ladedruck
vorhanden. Die vom Fahrer oder einem Regelsystem erwünschte Laständerung
kann wegen des zeitlichen Verzugs des Ladedruckaufbaus nicht sofort
dargestellt werden (sog. Turboloch).
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Darüber hinaus
ist aus der US 2003/0183202 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung eines Betriebs einer Brennkraftmaschine mit vollvariablem
Ventiltrieb bekannt, wobei über
eine Motorsteuereinrichtung Sollwerte zur Steuerung einer Ventilsteuereinrichtung
ermittelt werden.
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Die
Erfindung baut auf dem Gedanken der Laststeuerung gemäß dem vorstehend
beschriebenen Miller-Verfahren (Frühes/Spätes-Einlass-Schließt in Verbindung
mit einem Laderbetrieb) auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren angegeben, mittels welchem das instationäre Ansprechverhalten
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit zumindest einlassseitig
variablem Ventilantrieb verbessert wird. Insbesondere sollen kürzere Zeiten
zur Erfüllung
auftretender Lastanforderungen gewährleistet werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch,
dass bei einer Brennkraftmaschine während des Laderbetriebs eine
im Hinblick auf die Einlass-Schließt-Steuerzeit und/oder den
Hub eines vorhandenen variablen Einlassventilantriebs vorhandene
Reserve (Steuerzeitenreserve bzw. Hubreserve) zusätzlich genutzt
wird – indem
in jedem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine bis zum erreichen
der vorgegebenen Soll-Last dem Brennraum eine erhöhte Ladungsmenge
(insbesondere Luftmasse) zugeführt
wird – kann
die zur Erfüllung
der Lastanforderung erforderliche Zeit erheblich verringert und
somit das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verkürzt werden.
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Bevorzugt
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Ladereinrichtung derart betrieben, dass diese stets den maximal
möglichen
Ladedruck bereitstellt. Beispielsweise könnte eine steuerbare Bypasseinrichtung,
wie sie in der Regel bei einem Abgasturbolader vorhanden ist, somit
entfallen. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass zumindest – ausgehend
von einem im Vergleich zum vorhandenen Umgebungsdruck erhöhter Ladedruck – ein nochmals
erhöhter
Ladedruck erzeugt wird.
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Der
Einlassventilantrieb wird im stationären Betrieb (ohne Lastsprung)
vorzugsweise derart angesteuert (hinsichtlich Ventilhub und/oder
Einlass-Schließt-Steuerzeit),
dass bei maximal möglichem
Ladedruck stets gerade die zur Erfüllung der Lastanforderung erforderliche
Mindestladungsmenge bereitgestellt wird (Frühes/Spätes-Einlass-Schließt-Steuerverfahren
und/oder Einlassventil-Hubsteuerung). Hierdurch bedingt ist während des stationären Betriebs
unterhalb der Volllast (maximal einstellbare Motorlast, vorgegeben
durch die Motorsteuerung aufgrund spezifischer Motordaten) die beschriebene
abrufbare Reserve hinsichtlich Ventilhub und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeit
(Differenz der Steuerzeit bei Mindestladungsmenge zu Steuerzeit bei
UT bzw. im Bereich von UT) vorhanden.
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Ist
nach einer – insbesondere
sprunghaft erfolgten – Lastanforderung
und eines aufgrund der Lastanforderung erfolgten Reserveabrufs (z.B.
durch Verlängerung
der Einlassventil-Öffnungszeit),
etwa aufgrund eines Fahrerwunsches, die vorgegebene Ziellast erreicht,
wird vorzugsweise der mindestens eine variable Einlassventilantrieb
derart angesteuert, dass eine bestimmte Reserve, insbesondere die
ursprünglich
vorhandene Hubreserve und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve, wieder
eingestellt wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung
und variablem Ventilantrieb,
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2:
ein Ventil-Steuerzeitdiagramm für
die Laststeuerung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
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3a:
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Instationärverhaltens einer Brennkraftmaschine
mit zumindest einlassseitig vollständig variablem Ventilantrieb – bezüglich des
Ladedruckes – bei unterschiedlichen
Laststeuerverfahren,
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3b:
ein Diagramm zur Veranschaulichung des Instationärverhaltens einer Brennkraftmaschine
mit zumindest eingangsseitig vollständig variablem Ventilantrieb – bezüglich der
dem Brennraum zugeführten
Ladungsmenge – bei
unterschiedlichen Laststeuerverfahren, und
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4:
ein Balken-Flächendiagramm
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
in stark schematisierter Darstellung eine Brennkraftmaschine 2 mit
einem elektromagnetischen vollvariablen Ventilantrieb 4 (mit
variablem Einlassventilantrieb 4a und variablem Auslassventilantrieb 4b)
und einer Steuereinrichtung 6 zur gezielten Ansteuerung
des elektromagnetischen variablen Ventiltriebs 4. Ein derartiger
vollvariabler Ventilantrieb kann beispielsweise elektrisch, elektromagnetisch
oder hydraulisch ausgebildet sein. Wesentliches Merkmal eines derartigen
Antriebs ist die individuelle Ansteuerbarkeit bzw. Verstellbarkeit
einzelner Ventile oder Ventilgruppen. Die Brennkraftmaschine 2 ist
abgasseitig über
eine Abgasleitung 10 und ansaugseitig über eine Ansaugleitung 20 mit
einer Ladereinrichtung 8 (z.B. Abgasturbolader) 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 2 möglich. Die
erforderlichen Informationen zur Ansteuerung des elektromagnetischen
Ventilantriebs 4 erhält
die Steuereinrichtung 6 über eine Motorsteuereinrichtung
MSE in Abhängigkeit
von verschiedensten Betriebsparametern P.
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2 zeigt
schematisch den Verlauf der Öffnungs-
und Schließphasen
von Einlass- und Auslassventil der Brennkammer eines Ottomotors.
Dabei beginnt im Bereich des unteren Totpunktes UT des Kolbens der
Brennkraftmaschine das Auslassventil zu Öffnen (AÖ), um das verbliebene Abgas
aus dem letzten Verbrennungszyklus auszustoßen. Im Bereich des oberen
Totpunktes OT wird das Auslassventil wieder geschlossen (AS), während das
Einlassventil der selben Brennkammer beginnt den Einlasskanal zur
Befüllung
der Brennkammer freizugeben (EÖ).
Das Einlassventil wird in Abhängigkeit
von der angeforderten Last bei einem Steuerverfahren gemäß Frühes-Einlass-Schließt frühestmöglich den Einlasskanal
wieder verschließen
(ES), sobald eine ausreichende Ladungsmenge zur Erfüllung der Lastanforderung
vorhanden ist. Die erforderliche Mindest-Ladungsmenge wird anhand
von Rechenmodellen durch die Motorsteuereinrichtung MSE ermittelt.
Aufgrund der Laststeuerung Frühes-Einlass-Schließt im stationären Betrieb
der Brennkraftmaschine 2 (unterhalb des Volllastbetriebs)
verbleibt eine Öffnungszeitreserve
(Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve
t_res) des Einlassventils. Im vorliegenden Beispiel schließt das Einlassventil
im aktuellen Zyklus bereits bei zirka 470 Grad. Aufgrund einer positiven
Lastanforderung (Lastsprung) würde
das Einlassventil in nächsten
Zyklus frühestmöglich bei
beispielsweise 490 Grad schließen
um die bestehende Lastanforderung zu bewältigen. Bis zum Steuerzeitpunkt
der Volllast (Bereich des unteren Totpunktes UT im Ansaug-Takt) verbleibt demnach
noch eine Öffnungszeitreserve
t_res von zirka 50 Grad. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird vorzugsweise die gesamte Öffnungszeitreserve
t_res oder alternativ zumindest ein Teil hiervon genutzt, um die
Befüllung
des Brennraumes zu beschleunigen. Bei einem erkannten positiven
Lastsprung wird demnach unter erhöhtem, insbesondere maximalem,
Ladedruck und unter Nutzung einer vorhandenen (Öffnungszeit)Reserve pro Zyklus
eine erhöhte
Ladungsmenge zur Befüllung
des Brennraums zugeführt.
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3a zeigt
in einem Diagramm, Ladedruck pl über
der Zeit t, das unterschiedliche Ladedruckverhalten einer Brennkraftmaschine
bei einem Laststeuerverfahren gemäß Miller und bei einem Laststeuerverfahren
gemäß der Erfindung.
Durch die stufenartigen Kurvenverläufe der Soll-Last L_soll und
dem dieser Soll-Last L_soll zugeordneten Soll-Ladedruck pl_soll
sind die aufgrund eines Fahrerwunsches erforderlichen und über die
Motorsteuereinrichtung in Abhängigkeit
vom Fahrerwunsch ermittelten Sollwerte vorgegeben.
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Nach
dem eingangs beschriebenen Millerverfahren wird bei Ansteuerung
des variablen Ventilantriebs 4 gemäß dem ebenfalls bereits eingangs
erläuterten
Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt der Ladedruck
auf einen vordefinierten Wert erhöht und auf diese Weise die
gewünschte
Ladungsmenge dem Brennraum zugeführt.
Es stellt sich beispielsweise eine Ladedruckkurve gemäß pl_ist_miller
ein.
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Schließlich wird
gemäß der Erfindung
bei Erkennung eines positiven Lastsprunges unmittelbar die Ventilöffnungszeit
unter zumindest teilweiser Ausnutzung der Öffnungszeitreserve t_res verlängert und
dadurch, dass ferner die vorhandene Ladereinrichtung stets mit erhöhter – vorzugsweise
mit maximal möglicher – Ladeleistung
betrieben wird, ein im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren schnellerer
Ladedruckanstieg und ein deutlich schnelleres Erreichen der Soll-Last
L_soll erreicht. Hierdurch ist bereits vor Erreichen des Soll-Ladedruckes
pl_soll eine ausreichende Ladungsmenge bereitgestellt, so dass bei
weiter bis zum Soll-Ladedruck pl_soll ansteigendem Ladedruck ab
diesem Zeitpunkt die genutzte Öffnungszeitreserve
t_res in den folgenden Zyklen wieder aufgebaut werden kann. Es stellt
sich beispielsweise eine Ladedruckkurve gemäß pl_ist_neu ein.
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Neben
den sich einstellenden Ladedrücken pl_ist
im Diagramm gemäß 3a in
deren unteren Teil das Öffnungsverhalten
der Einlassventile (Einlass-Schließt-Winkel über der
Zeit) dargestellt. Dabei wird beim Miller-Verfahren zur Bereitstellung
der erforderlichen Mindest-Ladungsmenge während des Laderbetriebs die
Ventilöffnungszeit
neu eingestellt, indem die Steuerzeit Einlass-Schließt von 470
Grad auf 490 Grad verschoben wird (Kurve K1).
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
in Reaktion auf einen positiven Lastsprung unmittelbar die Ventilöffnungszeit
unter Ausnutzung der Öffnungszeitreserve
verlängert
und so eine im Vergleich zur erforderlichen Mindest-Ladungsmenge
erhöhte
Ladungsmenge der Brennkammer zugeführt und damit der noch nicht
eingestellte Soll-Ladedruck pl_soll teilweise oder vollständig ausgeglichen.
Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Verschiebung der Steuerzeit
Einlass-Schließt
statt von 470 Grad auf 490 Grad, von 470 Grad auf beispielsweise
540 Grad (Kurve K2). So wird bei erhöhtem bzw. bei stets vorhandenem
maximalen Ladedruck ein steilerer Ladedruckanstieg erreicht und
bereits vor Erreichen des Soll-Ladedruckes pl_soll die gewünschte Soll-Ladungsmenge
L_soll bereitgestellt. Mit Erreichen der gewünschten Soll-Ladungsmenge L_soll
werden in den Folgezyklen bereits die Ventilsteuerzeiten wieder zurückgefahren,
so dass sofort wieder eine ausreichende Reserve für einen
weiteren positiven Lastsprung zur Verfügung steht.
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3b zeigt
in einem Diagramm, Ladungsmenge L über der Zeit t, das unterschiedliche
Ladeverhalten einer Brennkraftmaschine bei den verschiedenen Laststeuerverfahren
analog zu 3a. Gut zu Erkennen ist der
gewonnene Zeitvorteil Δt
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
dem Laststeuerverfahren nach Miller.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine vom Ist-Ladedruck abhängige
Steuerkantenkorrektur erheblich verbessert und ein Zeitvorteil bei
der Einstellung einer angeforderten Last (aufgrund eines positiven
Lastsprungs) im Vergleich zu bekannten Verfahren erreicht.
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4 zeigt
ein Balkenflächendiagramm
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erste Balkenfläche (Balkenfläche ist
proportional zur Last) stellt einen Ausgangszustand mit einer stationären Last
L_ist während
des Laderbetriebs dar. Zur Bereitstellung der stationären Last
stellen sich definierte Einlass-Schließt-Steuerzeiten (ES) bei einem
zugehörigen
Ladedruck pl ein. Aufgrund eines Fahrerwunsches mit positiver Lastanforderung
stellt sich eine Soll-Last L_soll gemäß der zweiten – im Vergleich
zur ersten Balkenfläche
um die Lastdifferenz aufgrund der Lastanforderung vergrößerten – Balkenfläche ein.
Erfindungsgemäß wird der
positiven Lastanforderung begegnet, indem unmittelbar die Einlassventile
derart angesteuert werden, dass die vorhandene Steuerzeiten- und/oder
Hubreserve der Einlassventile zumindest teilweise genutzt wird und
zugleich der Ladedruck nochmals erhöht wird. Ist die angeforderte
Soll-Last L_soll erreicht, und es hat sich eine der Lastanforderung
entsprechende neue Istlast L_ist_neu eingestellt (zweite Balkenfläche mit gleichem
Flächeninhalt
wie die dritte Balkenfläche), wird
der Ladedruck weiter erhöht
und währenddessen
zugleich die genutzte Reserve wieder eingestellt. Die neu eingestellte
Istlast L_ist_neu, bei wieder neu aufgebauter Reserve, ist in der
dritten Balkenfläche mit
erhöhtem
neuen Istladedruck und ursprünglich vorhandener
Einlass-Schließt-Steuerzeit
dargestellt.
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Die
Erfindung ist vorstehend beschrieben am Beispiel eines vollvariablen
Ventilantriebs (z.B. elektromagnetischer oder hydraulischer variabler
Ventilantrieb). Sie ist allerdings nicht auf das beschriebene Beispiel
beschränkt,
sondern kann selbstverständlich auch
bei allen anderen variablen Ventilantrieben – so auch bei Ventilantrieben
mit im Hinblick auf Ventilsteuerzeiten und/oder Ventilhub verstellbaren
Nockenwellen – Anwendung
finden.