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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Steuereinheit zum
Betätigen
von meh reren Drosseleinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zum Betätigen
von mehreren Drosseleinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs
12.
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Aus
der
DE 101 48 347
A1 ist ein Verfahren zum Betätigen von mehreren Drosseleinheiten
bekannt. Die Drosseleinheiten sind jeweils einem Zylinder einer
Brennkraftmaschine zugeordnet und sind dazu geeignet, eine Gruppe
von Zylindern der Brennkraftmaschine in einem Zu- oder Abschaltvorgang zu-
oder abzuschalten. Durch die Drosseleinheiten beeinflusst die Steuereinheit
das von den Zylindern erzeugte Drehmoment. Während des Zu- oder Abschaltvorgangs
steuert die Steuereinheit die zu der Gruppe von Zylindern komplementäre Gruppe
von Zylindern der Brennkraftmaschine so, dass ein Gesamtdrehmoment
der Brennkraftmaschine konstant bleibt, wobei das von der Gruppe
von Zylindern erzeugte Drehmoment auf einen Sollwert erhöht oder abgesenkt
wird. Ein Signal zum Starten des Schaltvorgangs wird von einer zentralen
Steuereinheit eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs
erzeugt. Dabei wird die Gruppe von Zylindern zur Reduktion eines
Kraftstoffverbrauchs dann abgeschaltet, wenn die Brennkraftmaschine
unter Teillast läuft.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung
bereitzustellen, durch die ein besonders komfortabler bzw. ruckfreier
Zu- und/oder Abschaltvorgang wenigstens eines Zylinders der Brennkraftmaschine
realisierbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen den Unteransprüchen entnommen
werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einer Steuereinheit
zum Betätigen
wenigstens einer Drosseleinheit, die einem Zylinder einer Brennkraftmaschine
zugeordnet ist und durch die der Zylinder in einem Schaltvorgang
zu- und/oder abschaltbar ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die dem abschaltbaren
Zylinder zugeordnete Drosseleinheit während des Schaltvorgangs gemäß einer
vorbestimmten Zeitfunktion öffnet
und/oder schließt.
Dadurch kann ein komfortabler Schaltvorgang erreicht werden, der
von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht als Ruck spürbar ist.
Ferner können
Regelschwingungen wirkungsvoll vermieden werden. Durch eine adaptierbare
Zeitfunktion ist eine vorteilhaft flexible Anpassung der Steuereinheit
an einen Typ eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs
und/oder an einen speziellen Einsatzbereich des Kraftfahrzeugs erreichbar.
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Als
Drosseleinheit soll jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende
Einheit bezeichnet werden, die zur Beeinflussung eines vom Zylinder
erzeugten Drehmoments geeignet ist. Dabei kann die Drosseleinheit
als Drosselventil, Drosselklappe oder als Einheit zum Bestimmen
eines Ventilhubs eines über
eine Nockenwelle gesteuerten Einlassventils oder Auslassventils
des Zylinders ausgestaltet sein. Auch eine Vorrichtung zur elektromagnetischen
Steuerung des Ventilhubs eines Einlassventils oder Auslassventils soll
in diesem Sinne als Drosseleinheit bezeichnet werden. Die Brennkraftmaschine
kann prinzipiell als jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende
Kolbenmaschine mit mehreren Zylindern ausgestaltet sein, insbesondere
als Diesel- oder Ottomotor. Als eine Gruppe von Zylindern soll eine
echte Teilmenge der Gesamtzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine bezeichnet
werden. Als Abschalten des Zylinders soll ein Schaltvorgang bezeichnet
werden, der den Zylinder über
einen mehrere Arbeitszyklen überdauernden
Zeitraum in einen Zustand versetzt, in dem der Zylinder keinen Beitrag
zur Drehmomenterzeugung der Brennkraftmaschine leistet.
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Die
Zeitfunktion kann fest vorgegeben oder mechanisch über die
Steuereinheit einstellbar sein oder einen wählbaren Softwareparameter aufweisen, der
bei einer Installation der Steuereinheit eingestellt und gespeichert
werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Zeitfunktion
stetig ist. Dadurch kann ein besonders ruckfreier Schaltvorgang erreicht
werden. Prinzipiell sind jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung
denkbar, in denen die Zeitfunktion einen kleinstufigen gestuften
Verlauf hat. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Drosseleinheit
lediglich eine diskontinuierliche Verstellmöglichkeit aufweist.
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Ein
unkontrolliertes Nachschwingen durch eine Dynamik einer Ladung des
Zylinders und/oder durch eine Dynamik der Drosseleinheit kann vermieden
werden, wenn die Zeitfunktion stetig differenzierbar ist.
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Besonders
große
Kraftstoffeinsparungspotenziale können sich durch das Zu- und
Abschalten einer Gruppe von Zylindern erge ben, wenn die Brennkraftmaschine
zumindest acht Zylinder aufweist. Ähnlich vorteilhaft ist der
Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im
Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen mit 12 oder 16 Zylindern.
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Dabei
kann ein unrunder Lauf der Brennkraftmaschine vermieden werden,
wenn zumindest vier Zylinder abschaltbar sind. Prinzipiell sind
jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen zwei
oder eine andere Anzahl von Zylindern zu einer abschaltbaren Gruppe
zusammengefasst sind.
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Eine
flexibel an eine Betriebssituation anpassbare Vorrichtung ist erreichbar,
wenn die Zeitfunktion von zumindest einem Betriebsparameter bestimmt
ist. Dabei kann die Zeitfunktion insbesondere eine von dem Betriebsparameter
abhängige
Zeitkonstante enthalten. Als Betriebsparameter kann beispielsweise
eine Kenngröße für das Fahrverhalten des
Fahrers, eine Änderungsgeschwindigkeit
eines Fahrpedalwinkels, eine Getriebeübersetzung oder jede andere,
dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Betriebsgröße eingesetzt
werden. Dabei ist ein vorteilhafter Toleranzausgleich erreichbar,
wenn die Betriebsgröße von einem
dem aktuellen Schaltvorgang vorausgehenden Zu- oder Abschaltvorgang
bestimmt ist.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ein Schaltelement umfasst,
das den Schaltvorgang auslöst,
wenn ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Kennlinie in
einem Motorkennfeld überquert.
Dabei ist das Schaltelement besonders einfach und kostengünstig als
Kontrollbit einer Recheneinheit der Steuereinheit realisierbar.
Die Steuereinheit kann einstückig
oder mehrstückig
mit einer zentralen Steuereinheit der Brennkraftmaschine ausgeführt sein.
Ferner könnte
die Steuereinheit in eine zentrale Steuereinheit eines die Brennkraftmaschine umfassenden
Kraftfahrzeugs integriert sein und beispielsweise über einen
CAN-Bus mit der Brennkraftmaschine kommunizieren.
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Eine
flexible Adaption der Kennlinie an den Einsatzbereich der Brennkraftmaschine
kann ermöglicht
werden, wenn die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern
der Kennlinie umfasst.
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Umfasst
die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern eines einstellbaren
Parameters der Zeitfunktion, insbesondere einer Zeitkonstante, die
eine Dauer des Schaltvorgangs beschreibt, kann eine flexibel einsetzbare
Vorrichtung erreicht werden.
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Zeichnet
sich die Vorrichtung dadurch aus, dass eine erste Kennlinie einem
Abschaltvorgang des Zylinders zugeordnet ist und dass eine zweite Kennlinie
einem Zuschaltvorgang des Zylinders zugeordnet ist, kann ein unruhiges
Hin- und Herspringen und ein möglicherweise
damit einhergehender Komfortverlust vermieden werden, und zwar insbesondere
dann, wenn zwischen der ersten Kennlinie und der zweiten Kennlinie
ein Hysteresebereich vorgesehen ist bzw. wenn ein Bereich des Motorkennfelds,
in dem der abschaltbare Zylinder nach einem Abschaltvorgang abgeschaltet
ist, mit einem Bereich des Motorkennfelds, in dem der abschaltbare
Zylinder nach einen Zuschaltvorgang zugeschaltet ist, überlappt.
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Ferner
geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betätigen von
einer Drosseleinheit, die einem Zylinder einer Brennkraftmaschine
zugeordnet ist und durch die der Zylinder in einem Schaltvorgang
zu- und/oder abschaltbar ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die dem abschaltbaren Zylinder zugeordnete
Drosseleinheit während
des Schaltvorgangs gemäß einer
vorbestimmten Zeitfunktion geöffnet
und/oder geschlossen wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit,
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2 ein
Ablaufdiagramm eines in der Steuereinheit implementierten Programms,
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3 ein
Motorkennfeld mit Kennlinien,
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4 einen
zeitlichen Verlauf eines Drehmoments einer ersten Gruppe von Zylindern
und eines Drehmoments einer zweiten Gruppe von Zylindern während eines
Abschaltvorgangs und
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5 einen
zeitlichen Verlauf eines Drehmoments einer ersten Gruppe von Zylindern
und eines Drehmoments einer zweiten Gruppe von Zylindern während eines
Zuschaltvorgangs.
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1 zeigt
eine als Ottomotor mit acht Zylindern 12a–12h ausgebildete
Brennkraftmaschine 13 in einer schematischen Darstellung.
Jeder der Zylinder 12a–12h weist
bekannte Einlass- und Auslassventile auf, die hier nicht explizit
dargestellt sind, und die zum Laden des Zylinders 12a–12h und
zum Abführen
von Abgas vorgesehen sind. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Lösung in
allen denkbaren Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern, insbesondere
auch in Dieselmotoren oder in Motoren mit Turbolader oder Abgasrückführung, einsetzbar.
Die Einlass- und Auslassventile werden durch eine hier nicht dargestellte
Nockenwelle betätigt.
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Jedem
der acht Zylinder 12a–12h ist
eine Drosseleinheit 11a–11h zugeordnet, durch
die eine Ladungszufuhr des jeweiligen Zylinders 12a–12h gedrosselt
und vollständig
unterbrochen werden kann. Die Drosseleinheiten 11a–11h umfassen
jeweils ein elektromagnetisches Betätigungselement 17a–17h. Die
Betätigungselemente 17a–17h sind über Steuerleitungen
mit einer Steuereinheit 10 der Brennkraftmaschine 13 verbunden.
Die Steuereinheit 10 ist als programmierbare Recheneinheit
ausgebildet und umfasst eine Speichereinheit 16 und ein
Schaltelement 18. Ferner kommuniziert die Steuereinheit 10 über einen
CAN-Bus 19 mit weiteren Steuereinheiten eines die Brennkraftmaschine 13 umfassenden
Kraftfahrzeugs und kann über
den CAN-Bus 19 alle
im Kraftfahrzeug erfassten Betriebsgrößen auslesen und an eine Kenngröße für einen
aktuellen Betätigungszustand
der Brennkraftmaschine 13 für die weiteren Steuereinheiten
verfügbar
machen.
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Neben
elektromagnetischen Betätigungselementen 17a–17h können auch
hydraulische und/oder mechanische Betätigungselemente zum Einsatz
kommen. Die Drosselelemente können
ferner einstückig
mit Ladungslenkklappen oder mit Einlassventilen der Zylinder 12a–12h ausgebildet
sein. Dabei können
die Drosselelemente beispielsweise als Nockenwellenversteller oder
als Mechanismen zur mechanischen Einstellung eines Ventilhubs ausgebildet
sein.
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Über die
Steuerleitungen kann die Steuereinheit 10 die Drosseleinheiten 11a–11h unabhängig voneinander
kontinuierlich verstellen und insbesondere öffnen und schließen. Insbesondere
ist die Steuereinheit 10 dazu geeignet, jede beliebige
Gruppe von Drosseleinheiten 11a–11h unabhängig zu
schließen.
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In
der Steuereinheit 10 ist ein Programm implementiert, das
auf ein Schaltsignal hin eine Gruppe von vier Zylindern 12a–12d öffnet oder
schließt.
Dabei generiert die Steuereinheit 10 das Schaltsignal selbsttätig und
abhängig
von einer Drehzahl und von einer Last der Brennkraftmaschine 13 in
einer Weise, die im Folgenden näher
beschrieben wird.
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Das
Programm löst
Schaltvorgänge 20, 21 zwischen
einem ersten Betriebszustand, in dem die Gruppe von Zylindern 12a–12d eingeschaltet
ist, und einem zweiten Betriebszustand aus, in dem die Gruppe von
Zylindern 12a–12d abgeschaltet
ist und in dem die Drosseleinheiten 11a–11h geschlossen sind. Dem
ersten Betriebszustand ist der Wert 0 eines in der Speichereinheit 16 gespeicherten
Kontrollbits zugeordnet und dem zweiten Betriebszustand der Wert 1.
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Das
Programm durchläuft
einen in 2 dargestellten Abfragezyklus.
In einem ersten Schritt 22 fragt die Steuereinheit 10 das
Kontrollbit ab.
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Findet
die Steuereinheit 10 den Wert 0, so liegt der erste Betriebsmodus
vor, und die Steuereinheit 10 fragt in einem Abfrageschritt 23 ab,
ob eine aktuelle Last der Brennkraftmaschine 13, deren
Wert die Steuereinheit 10 über den CAN-Bus 19 ausliest, kleiner
als ein kritischer Wert ist, der in Form einer Kennlinie 14 (3)
in der Speichereinheit 16 der Steuereinheit 10 gespeichert
ist. Die Kennlinie 14 hängt
von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 13 und von einem
weiteren Betriebsparameter P ab, und zwar von einer Fahrpedalstellung.
Bei weiter eingerücktem
Fahrpedal verschiebt sich die Kennlinie 14 im Motorkennfeld
(3) nach unten. In 3 ist exemplarisch
eine Kennlinie 14 für
P = 0% und eine Kennlinie 14' für P = 50%
eingezeichnet. Durch eine Änderung
des Programms kann jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende
Größe als Kenngröße P Anwendung
finden. Insbesondere eine Kenngröße für eine Sportlichkeit
eines Fahrverhaltens kann vorteilhaft eingesetzt werden.
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Ein
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 13 ist als ein Punkt
im zweidimensionalen Motorkennfeld der Brennkraftmaschine 13 bestimmt
und liegt in 3 stets unterhalb einer typenabhängigen Kennlinie 25,
die ein Leistungsmaximum der Brennkraftmaschine 13 beschreibt.
Die Kennlinie 25 beschränkt
zusammen mit einer Leerlaufdrehzahl nLL und
einer Maximaldrehzahl nmax das Motorkennfeld.
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Findet
die Steuereinheit 10 im Abfrageschritt 23 einen
Betriebspunkt, der in 3 unterhalb der Kennlinie 14 liegt,
so gibt sie ein Signal an das Schaltelement 18, das einen
Abschaltvorgang 20 auslöst, um
im folgenden Betrieb Treibstoff einzusparen. Der Betriebspunkt hat
dann im vorausgehenden Zyklus des Programms die Kennlinie 14 überschritten.
Dabei schließt
die Steuereinheit 10 mittels der Betätigungselemente 17a–17d die
Drosseleinheiten 11a–11d gemäß einer
vorgegebenen, stetig differenzierbaren Zeitfunktion und vergrößert gleichzeitig
einen Öffnungsgrad
der Drosseleinheiten 11e–11h. Dabei verändern sich
die von den Zylindern 12a–12h erzeugten Drehmomente
in einer zum Öffnungsgrad der
Drosseleinheiten 11a–11h proportionalen
Weise, und zwar so, dass eine Summe des von der Brennkraftmaschine 13 erzeugten
Drehmoments stets einem durch die Kenngröße P bestimmten Anforderungswert 26 entspricht
(4). Es sind auch Ausgestaltungen der Erfindung
denkbar, in denen eine Abhängigkeit
zwischen dem Drehmoment und dem Öffnungsgrad
der Drosseleinheiten 11a–11h in einem in der
Speichereinheit 16 abgelegten Kennfeld gespeichert sind.
Nach dem Abschluss des Schaltvorgangs 20 setzt die Steuereinheit 10 das
Kontrollbit auf den Wert 1.
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Findet
die Steuereinheit 10 im Schritt 22 den Wert 1,
so liegt der zweite Betriebsmodus vor, und die Steuereinheit 10 fragt
in einem Abfrageschritt 24 ab, ob eine aktuelle Last der
Brennkraftmaschine 13, deren Wert die Steuereinheit 10 über den
CAN-Bus 19 ausliest, größer als
ein zweiter kritischer Wert ist, der in Form einer Kennlinie 15 in
der Speichereinheit 16 der Steuereinheit 10 gespeichert
ist. Die Kennlinie 15 hängt
von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 13 und von dem
Betriebsparameter P ab.
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Liegt
der Betriebspunkt oberhalb der Kennlinie 15, so löst die Steuereinheit 10 einen
Schaltvorgang 21 aus, bei dem sie die Drosseleinheiten 11a–11d der
Gruppe von Zylindern 12a–12d gemäß einer
vorbestimmten Zeitfunktion mit Hilfe der Betätigungselemente 17a–17h öffnet und
gleichzeitig den Öffnungsgrad
der komplementären
Drosseleinheiten 11e–11h reduziert,
um ein dem Anforderungswert 26 entsprechendes Gesamtmoment
der Brennkraftmaschine 13 zu realisieren (5).
Der Betriebspunkt muss dann im vorangegangenen Zyklus des Programms
die Kennlinie 15 überquert
haben. Nach dem Abschluss des Schaltvorgangs 21 setzt die
Steuereinheit 10 das Kontrollbit auf den Wert 0.
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Während der
Schaltvorgänge 20, 21 bleibt der
zyklische Ablauf des Programms unterbrochen, so dass die Schaltvorgänge 20, 21 stets
gemäß der eingestellten
Zeitfunktion zu Ende gebracht werden.
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Ein
durch die Kennlinie 14 beschriebenes Drehmoment ist im
gesamten Motorkennfeld kleiner als ein durch die Kennlinie 15 beschriebenes
Drehmoment, so dass ein schnelles Hin- und Herschalten zwischen
den beiden Betriebsmodi vermieden wird und dass bei den Übergängen zwischen
den Betriebsmodi eine Hysterese auftritt.
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Als
Zeitfunktion kann im Prinzip jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende
Funktion zum Einsatz kommen, die zwischen einem Bruchteil des Anforderungswerts 26 und
dem Wert 0 interpoliert. Als Beispiel sei für den Momentenverlauf der Gruppe von
Zylindern 12a–12d während des
Abschaltvorgangs die Zeitfunktion
A/4·(cos(πt/t0) + 1)
genannt, während die komplementäre Gruppe
von Zylindern 12e–12h gemäß der Zeitfunktion
A/4·(3 – cos(πt/t0))
gesteuert wird. Dabei läuft die
Zeit zwischen t = 0 und t = t0, wobei t0 eine einstellbare, in der Speichereinheit 16 gespeicherte
Zeitkonstante ist, die auch von einer externen Kenngröße abhängen kann.
Die Zeitkonstante t0 wird bei der Installation
der Steuereinheit eingestellt. A ist der von der Kenngröße P abhängige Anforderungswert 26.
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Durch
die Wählbarkeit
des Parameters t0 ist die Zeitfunktion einstellbar.
Es sind auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die
Zeitfunktion von mehreren einstellbaren Parametern abhängt.
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- 10
- Steuereinheit
- 11
- Drosseleinheit
- 12
- Zylinder
- 13
- Brennkraftmaschine
- 14
- Kennlinie
- 15
- Kennlinie
- 16
- Speichereinheit
- 17
- Betätigungselement
- 18
- Schaltelement
- 19
- CRN–Bus
- 20
- Schaltvorgang
- 21
- Schaltvorgang
- 22
- Schritt
- 23
- Abfrageschritt
- 24
- Abfrageschritt
- 25
- Kennlinie
- 26
- Anforderungswert
- P
- Betriebsparameter
- nLL
- Leerlaufdrehzahl
- nmax
- Maximaldrehzahl
- t0
- Parameter