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Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System, um für die Steuerung eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu sorgen.
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Die gegenwärtigen gesetzlichen Bedingungen auf dem Kraftfahrzeugmarkt haben zu einem zunehmenden Bedarf geführt, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit von aktuellen Fahrzeugen zu verbessern und deren Emissionen zu verringern. Diese gesetzlichen Bedingungen müssen mit den Forderungen eines Konsumenten nach hoher Leistung und schnellem Ansprechverhalten eines Fahrzeugs in Einklang gebracht werden. Verbrennungsmotoren mit variablem Hubraum sorgen für eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und ein bedarfsabhängiges Drehmoment, indem sie nach dem Prinzip der Zylinderabschaltung arbeiten.
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Bei Betriebsbedingungen, die ein hohes Abtriebsdrehmoment erfordern, wird jeder Zylinder eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum mit Kraftstoff und Luft (und auch mit einem Zündfunken im Fall eines Benzinmotors) versorgt, damit der Verbrennungsmotor Drehmoment liefern kann. Bei Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl, niedriger Last und/oder anderen unwirtschaftlichen Bedingungen für einen Verbrennungsmotor können Zylinder abgeschaltet werden, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotors und des Fahrzeugs zu verbessern. Beispielsweise wird bei dem Betrieb eines Fahrzeugs, das mit einem Achtzylinder-Verbrennungsmotor ausgerüstet ist, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert, wenn der Verbrennungsmotor bei Betriebsbedingungen mit niedrigem Drehmoment mit lediglich vier Zylindern betrieben wird, indem Drosselungsverluste reduziert werden. Drosselungsverluste, die auch als Pumpverluste bekannt sind, sind die zusätzliche Arbeit, die ein Verbrennungsmotor leisten muss, um Luft um die Beschränkung einer relativ geschlossenen Drosselklappe und von dem relativ niedrigen Druck eines Saugrohrs durch den Verbrennungsmotor und heraus zur Atmosphäre zu pumpen. Die Zylinder, die abgeschaltet sind, werden keinen Luftstrom durch ihre Einlass- und Auslassventile zulassen, wodurch Pumpverluste reduziert werden, indem der Verbrennungsmotor dazu gezwungen wird, mit einem größeren Drosselklappenwinkel und einem höheren Saugrohrdruck zu arbeiten. Da die abgeschalteten Zylinder keinen Luftstrom zulassen, werden zusätzliche Verluste vermieden, indem die abgeschalteten Zylinder aufgrund der Kompression und Dekompression der Luft in jedem abgeschalteten Zylinder als „Luftfedern“ betrieben werden.
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Ein derartiger Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung und insbesondere ein Motorsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 196 06 584 A1 bekannt.
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Frühere Verbrennungsmotoren mit variablem Hubraum litten an Problemen beim Fahrverhalten, die durch ihre Steuerungssysteme geschaffen wurden. Ein Übergang in einem früheren Achtzylinder-Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum auf einen Betrieb mit sechs oder vier Zylindern schuf merkliche Drehmomentstörungen, die den Betrieb des Fahrzeugs beeinträchtigen. Diese Drehmomentstörungen wurden von den Konsumenten im Allgemeinen als unerwünscht angesehen. Die mangelnde Fähigkeit bei früheren Verbrennungsmotoren mit variablem Hubraum, die Drosselklappenstellung als Funktion der Verschiebung zu steuern, trug zu dem Problem der Drehmomentstörungen bei. Die Einführung von neuen Motorsteuergeräten, wie etwa einer elektronischen Drosselklappensteuerung (ETC von electronic throttle control), Motor-Controllern, Stellungssensoren für Pedalsteuereinrichtungen und anderen elektronischen Einrichtungen, hat eine genauere Steuerung von mehr Funktionen eines Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Übergang eines Verbrennungsmotors zwischen dem Betrieb mit Teilhubraum und Vollhubraum für den Fahrer weniger wahrnehmbar zu gestalten, insbesondere etwaige Fahrzeugverzögerungen oder Beschleunigungen während des Übergangs weitestgehend zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Motorsteuersystem, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, oder mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 10 aufweist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst Verfahren und Vorrichtungen, die den Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Motor mit variablem Hubraum auf eine solche Weise zulassen, dass dieser für den Fahrzeugbediener nicht wahrnehmbar ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Achtzylinder-Verbrennungsmotor als Vierzylindermotor betrieben werden, indem vier Zylinder abgeschaltet werden. Die Zylinderabschaltung tritt als eine Funktion der Last oder des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugs auf. Ein Motor- oder Antriebsstrang-Controller wird bestimmen, ob der Verbrennungsmotor in die Vierzylinder-Betriebsart eintreten sollte, indem die Last und der Drehmomentbedarf des Verbrennungsmotors überwacht werden. Wenn sich der Verbrennungsmotor in einem Zustand befindet, in dem es unwirtschaftlich ist, mit allen acht Zylindern zu arbeiten, wird der Controller den Mechanismus, der die Ventile für die ausgewählten Zylinder betätigt, abschalten und auch den Kraftstoff (und möglicherweise den Zündfunken in dem Fall eines Benzinmotors) für die Zylinder unterbrechen. Die abgeschalteten Zylinder werden somit als Luftfedern funktionieren, um Pumpverluste zu reduzieren.
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Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet die Position des Gaspedals und die Ist-Motordrehzahl, um ein Signal für ein befohlenes Drehmoment zu erzeugen, das Drehmomenteinbrüche reduziert, während der Verbrennungsmotor alle Zylinder wieder zuschaltet. Das Signal für ein befohlenes Drehmoment wird vorwärts gekoppelt, so dass der Befehl auftritt, kurz bevor der Verbrennungsmotor tatsächlich diesen Drehmomentbetrag erzeugt. Indem ein befohlenes Drehmoment als das primäre Signal oder die primäre Variable verwendet wird, um den Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum festzustellen, kann die Entscheidung, den Hubraum umzuschalten, früher vorgenommen werden, als wenn auf eine Echtzeitmessung des Drehmoments gewartet wird, um den Motorhubraum zu bestimmen. Die Schwellenwerte, bei denen das befohlene Drehmoment dazu benutzt werden würde, Zylinder wieder zuzuschalten oder abzuschalten, sind eine Kalibrierungsvariable und eine Funktion des Luftdrucks. Wenn der Motorunterdruck irgendwann einmal unter einen kalibrierbaren Wert fallen würde, würde der Verbrennungsmotor als zusätzliche Annehmlichkeit für den Fahrer alle Zylinder wieder zuschalten und den Schwellenwert für den befohlenen Drehmoment einstellen.
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Um die Änderung von einem variablen zu einem vollen Hubraum für den Fahrer nicht wahrnehmbar zu machen, muss der Verbrennungsmotor in der Lage sein, einen gewissen Drehmomentspielraum aufrechtzuerhalten, wenn er in der Betriebsart mit Teilhubraum ist (wie durch das Soll-Drehmoment vorhergesagt), um die Erzeugung jedes zusätzlichen Drehmoments zuzulassen, das während der Zeitverzögerung eines Umschaltzyklus angefordert werden könnte. Der Umschaltzyklus erfordert annähernd eintausend Grad Motorkurbelwellenwinkel während einer Änderung von Teilhubraum nach Vollhubraum oder umgekehrt. Ein fortgesetztes Umschalten oder Pendeln (lebhaftes Umschalten) ist in einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum unerwünscht.
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Die vorliegende Erfindung verringert eine lebhafte Umschalttätigkeit oder ein Pendeln zwischen den Betriebsarten, indem das angeforderte oder befohlene Drehmoment von einem Bediener über die Stellung und Änderungsrate eines Gaspedals überwacht wird. Wenn Betriebsbedingungen, die eine lebhafte Tätigkeit erzeugen, detektiert werden, wird das befohlene Drehmoment durch einen Hysteresekalibrierungswert inkrementiert, um das Potential für ein Pendeln zu verringern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Zeichnung des Steuerungssystems der Erfindung; und
- 2 ist ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Feststellen des Betriebs des Steuerungssystems.
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1 ist eine schematische Zeichnung des Fahrzeugsteuerungssystems 10 der vorliegenden Erfindung. Das Steuerungssystem 10 umfasst einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum 12, der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 14 und Zündkerzen 16 aufweist, die von einem Motor- oder Antriebsstrang-Controller 18 gesteuert werden. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst einen Benzinmotor oder irgendeinen anderen in der Technik bekannten Verbrennungsmotor. Die Drehzahl und Stellung der Kurbelwelle 21 des Verbrennungsmotors 12 werden von einem Drehzahl- und Stellungsdetektor 20 detektiert, der ein Signal, wie etwa einen Impulszug, für den Motor-Controller 18 erzeugt. Ein Saugrohr 22 liefert den Zylindern 24 des Verbrennungsmotors 10 Luft, wobei die Zylinder 24 Ventile 25 aufweisen. Die Ventile 25 sind darüber hinaus mit einer Betätigungsvorrichtung, wie etwa einer Nockenwelle 27, gekoppelt, die in einer Konfiguration mit oben liegenden Ventilen oder oben liegenden Nocken verwendet wird, die physikalisch mit den Ventilen 25 gekoppelt bzw. von diesen entkoppelt werden kann, um einen Luftstrom durch die Zylinder 24 hindurch zu unterbrechen. Ein Luftmassendurchsatzsensor 26 und ein Saugrohrdrucksensor 28 detektieren den Luftstrom und den Luftdruck innerhalb des Saugrohrs 22 und erzeugen Signale für den Antriebsstrang-Controller 18. Der Luftmassendurchsatzsensor 26 ist vorzugsweise ein Hitzdrahtanemometer, und der Drucksensor 28 ist vorzugsweise ein Dehnungsmesser.
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Eine elektronische Drosseleinrichtung 30, die eine von einem Controller 32 für eine elektronische Drosseleinrichtung gesteuerte Drosselklappe aufweist, steuert die Menge an Luft, die in das Saugrohr 22 eintritt. Die elektronische Drosseleinrichtung 30 kann irgendeine in der Technik bekannte Elektromotor- oder Betätigungstechnologie umfassen, die Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren, bürstenlose Permanentmagnetmotoren und Reluktanzmotoren umfasst, aber nicht auf diese beschränkt ist. Der Controller 32 für die elektronische Drosseleinrichtung umfasst eine Leistungsschaltung, um die elektronische Drosseleinrichtung 30 zu modulieren, und eine Schaltung, um einen Stellungs- und Drehzahleingang von der elektronischen Drosseleinrichtung 30 zu empfangen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Absolut-Rotationsencoder oder Drehgeber mit der elektronischen Drosseleinrichtung 30 gekoppelt, um dem Controller 32 für die elektronische Drosseleinrichtung (ETC) Drehzahl- und Stellungsinformation zu liefern. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Potentiometer dazu verwendet werden, Drehzahl- und Stellungsinformation für die elektronische Drosseleinrichtung 30 zu liefern. Der Controller 32 für die elektronische Drosseleinrichtung 30 umfasst darüber hinaus eine Kommunikationsschaltung, wie etwa eine serielle Verbindung oder eine Kraftfahrzeugkommunikationsnetz-Schnittstelle, um mit dem Antriebsstrang-Controller 18 über ein Kraftfahrzeugkommunikationsnetz 33 zu kommunizieren. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Controller 32 für die elektronische Drosseleinrichtung vollständig in den Antriebsstrang-Controller 18 integriert sein, um die Notwendigkeit für einen physikalisch getrennten Controller 32 für die elektronische Drosseleinrichtung 30 zu beseitigen.
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Ein Bremspedal 36 in dem Fahrzeug ist mit einem Bremspedalsensor 38 ausgestattet, um die Häufigkeit und den Betrag des von einem Bediener des Fahrzeugs erzeugten Drucks auf das Bremspedal 36 festzustellen. Der Bremspedalsensor 38 erzeugt ein Signal für den Antriebsstrang-Controller 18 zur Weiterverarbeitung. Ein Gaspedal 40 in dem Fahrzeug ist mit einem Pedalstellungssensor 42 ausgestattet, um die Stellung des Gaspedals 40 zu erfassen. Das Signal des Pedalstellungssensors 42 wird ebenfalls an den Antriebsstrang-Controller 18 zur Weiterverarbeitung übermittelt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Bremspedalsensor 38 ein Dehnungsmesser und der Pedalstellungssensor 42 ist ein Absolut-Rotationsencoder.
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Die vorliegende Erfindung steuert den Wechsel in die Betriebsart mit Teilhubraum und in die Betriebsart mit vollem Hubraum vorwiegend auf der Basis eines befohlenen Drehmomentes. Die Variable des befohlenen Drehmomentes beruht auf der Stellung und der Änderungsrate des Gaspedals 40 und des Pedalstellungssensors 42 sowie der Ist-Motordrehzahl. Da das für den Verbrennungsmotor 12 verfügbare Drehmoment mit dem Luftdruck schwankt, kann der Motorunterdruck dazu verwendet werden, die Drehmomentschaltschwellenwerte einzustellen. Es gibt im Allgemeinen eine inverse lineare Beziehung zwischen dem Motorunterdruck und dem verfügbaren Motordrehmoment. Der Motorunterdruck ist eine reagierende Variable, bei der das Steuerungssystem warten muss, bis der Vakuumschwellenwert überschritten ist, um zu schalten. Wenn das befohlene Drehmoment (von der Pedalstellung und der Änderungsrate der Pedalstellung abgeleitet) als die Variable zur Bestimmung des Abtriebsdrehmoments verwendet wird, kann die Entscheidung, Zylinder zuzuschalten, früher in dem Betriebszyklus vorgenommen werden, im Vergleich damit, dass nur der Motorunterdruck als das Kriterium zur Änderung des Hubraums des Verbrennungsmotors 12 benutzt wird. Das von dem Gaspedal 40 erzeugte befohlene Drehmoment liefert dem Controller 18 eine bessere Vorhersage über die Absichten des Fahrers, um eine bessere Antwort von dem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum 12 zuzulassen.
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Da es mehrere Umdrehungen des Verbrennungsmotors 12 dauert, um wieder zuzuschalten, erlaubt die Verwendung eines befohlenen Drehmoments als primäre Schaltvariable viel schneller einen Zugang zu dem vollen Abtriebsdrehmoment des Verbrennungsmotors mit variablern Hubraum als unter Verwendung des Motorunterdrucks für das Schaltkriterium, was hilft, mögliche Einbrüche beim Motordrehmoment zu verhindern, während der Verbrennungsmotor 12 darauf wartet, alle Zylinder wieder zuzuschalten.
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2 ist ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Nach Block 100 von 2 bestimmt der Antriebsstrang-Controller 18 die Stellung des Gaspedals 40 aus dem von dem Pedalstellungssensor 42 erzeugten Signal. Der Antriebsstrang-Controller 18 bestimmt ferner die Drehzahl (U/min) der Kurbelwelle 21 des Verbrennungsmotors 12 aus dem von dem Kurbelwellendrehzahlsensor 20 erzeugten Impulszug. Der Antriebsstrang-Controller 18 nimmt die Stellung des Gaspedals 40 und weitere Variablen und bestimmt ein befohlenes Drehmoment TDES des Verbrennungsmotors 12. Das von dem Gaspedal 40 befohlene Drehmoment TDES liefert dem Controller 18 eine Vorhersage der Absichten des Fahrers, um eine bessere Antwort von einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum 12 zuzulassen.
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Die Bestimmung des befohlenen Drehmoments TDES wird vorzugsweise unter Verwendung einer Nachschlagetabelle in dem Speicher des Antriebsstrang-Controllers 18 ausgeführt. Das befohlene Drehmoment TDES wird als eine Lastvariable im gesamten Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung verwendet und ist die fundamentale Lastvariable der auf dem Motordrehmoment beruhenden Motorsteuerstrategie. Das befohlene Drehmoment TDES kann als der Betrag des Drehmoments charakterisiert werden, den der Verbrennungsmotor 12 in einer Betriebsart mit vollem Hubraum mit einer gegebenen Drosselklappenstellung und Motordrehzahl erzeugen würde, oder es kann derart berechnet werden, dass bei einer gegebenen Stellung des Gaspedals 40 des Verbrennungsmotors 12 ausreichend Drehmoment für einen Soll-Leistungsbereich des Fahrzeugs erzeugt wird.
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Bei Block 101 wird das verfügbare Drehmoment (Deac Trq) in einer Betriebsart mit Teilhubraum für den Verbrennungsmotor 12 berechnet. Bei Block 102 wird festgestellt, ob der Verbrennungsmotor 12 sich in einer Betriebsart mit Teilhubraum befindet. Wenn sich der Verbrennungsmotor 12 in einer Betriebsart mit Teilhubraum befindet, dann wird das Verfahren bei Block 104 bestimmen, ob das befohlene Drehmoment TDES größer als Deac Trq + δ ist. Die Variable δ ist ein Hysterese-Offset-Wert, der die Betriebsartwechsel reduziert, die aufgrund von Rauschen des Sensors 42, einem nervösen Fuß oder einer rauen Straße auftreten können. Der Wert der Variable δ kann empirisch kalibriert werden. Wenn das befohlene Drehmoment TDES größer als Deac Trq + δ ist, dann wird der Controller 18 bei Block 106 abgeschaltete Zylinder wieder zuschalten, um das von dem Bediener angeforderte Drehmoment zuzuführen. Wenn TDES nicht größer als Deac Trq + δ ist, wird das Verfahren zu Block 100 zurückkehren.
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Wenn, wieder nach Block 102, der Verbrennungsmotor 12 sich nicht in einer Betriebsart mit Teilhubraum befindet, dann wird das Verfahren bei Block 108 bestimmen, ob das befohlene Drehmoment TDES kleiner als Deac Trq - δ ist. Wenn das befohlene Drehmoment TDES kleiner als Deac Trq - δ ist, wird der Controller 18 bei Block 110 Zylinder abschalten, die nicht erforderlich sind, um das von dem Bediener angeforderte Drehmoment zuzuführen. Wenn das befohlene Drehmoment TDES größer als Deac Trq - δ ist, wird das Verfahren zu Block 100 zurückkehren.
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Zusammengefasst umfasst das erfindungsgemäße Motorsteuerungssystem einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum, mehrere Zylinder, die in dem Verbrennungsmotor angeordnet sind, mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, um den Zylindern Kraftstoff zu liefern, mehrere Ventile, die mit den Zylindern gekoppelt sind, wobei die Ventile den Luftstrom in und aus den Zylindern steuern, eine Betätigungsvorrichtung, um die Ventile zu betätigen, ein Saugrohr, das mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, eine Drosseleinrichtung, die mit dem Saugrohr gekoppelt ist, einen Controller, der mit den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen elektronisch gekoppelt ist, einen Gaspedalstellungssensor, der mit dem Controller elektronisch gekoppelt ist, wobei der Controller die Anzahl der mit Kraftstoff und Luft zu versorgenden Zylinder und ein Soll-Motorabtriebsdrehmoment auf der Grundlage des Gaspedalstellungssensors und eines Hysteresewertes bestimmt.
