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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme zur Verminderung
von Torsionsbelastungen des Antriebsstranges beim Abschalten der
Verbrennung in Gruppen von Zylindern in einem Verbrennungsmotor
eines auf der Straße
fahrenden Fahrzeugs, und sie betrifft insbesondere die Verwendung des Öffnens und
Schließens
von Ventilen in den abgeschalteten Zylindern zur Verminderung dieser
Torsionskräfte.
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Verbrennungsmotoren
erzeugen im Allgemeinen ein Motorausgangsdrehmoment, indem in den
Zylindern des Motors eine Verbrennung durchgeführt wird. Insbesondere saugt
jeder Zylinder des Motors Luft und Kraftstoff an und verbrennt das Luft/Kraftstoff-Gemisch,
wodurch der Druck in dem Zylinder erhöht wird, um Drehmoment zu erzeugen, das
die Motorkurbelwelle über
die Kolben in Drehung versetzt. Ein Verfahren zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs
besteht darin, eine ausgewählte
Gruppe von Zylindern abzuschalten, um dadurch den Krümmerdruck
anzuheben und die Pumparbeit der übrigen Zylinder, die eine Verbrennung
durchführen,
zu reduzieren. Die Zylinderabschaltung kann erreicht werden, indem
die Einlass- und Auslassventile der ausgewählten Zylinder mechanisch abgeschaltet werden.
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Die
hier auftretenden Erfinder haben ein Problem bei einer solchen Vorgehensweise
erkannt. Im Modus der Zylinderabschaltung kann insbesondere das
Ungleichgewicht zwischen dem Drehmoment, das in den die Verbrennung
ausführenden
Zylindern erzeugt wird, und dem Drehmoment der abgeschalteten Zylinder zu
einer verstärkten
Vibration und Ruppigkeit des Motors führen. Diese Vibration und Ruppigkeit
kann der Fahrer des Fahrzeugs spüren,
und das Fahrgefühl
kann dadurch herabgesetzt werden.
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Ein
Verfahren zum Vermindern der Schwankung im Motordrehmoment infolge
abgeschalteter Zylinder wird in dem US-Patent Nr. 6,332,446 beschrieben.
Wenn bei diesem Verfahren bestimmte Zylinder unter Steuerung der
Zylinderabschaltung abgeschaltet werden, wird das Auslassventil
jedes abgeschalteten bzw. inaktiven Zylinders für einen bestimmten Zeitraum
geöffnet,
der vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung beginnt. Der Zeitpunkt des Öffnens der
Auslassventile wird so festgelegt, dass der Druck in dem inaktiven
Zylinder gleich oder kleiner ist als der Atmosphärendruck, wenn das Auslassventil
geöffnet
ist. Der Zeitpunkt des Schließens des
Auslassventils wird so festgelegt, dass der Spitzenwert des Druckes
in dem inaktiven Zylinder nahezu gleich wird dem Spitzenwert des
Druckes in den aktiven Zylindern.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben noch weitere Nachteile
bei der Vorgehensweise des US-Patents Nr. 6,332,446 erkannt. Insbesondere kann
bei dem für
die Zylinderabschaltung verwendeten Verfahren diese Vorgehensweise
den Kraftstoffverbrauch erhöhen,
da zusätzliche
Energie aufgewendet wird, um das Auslassventil in den abgeschalteten
Zylindern zu öffnen
und zu schließen.
Mit anderen Worten, zum Öffnen
und Schließen
des Auslassventils in den abgeschalteten Zylindern wird Energie aufgewendet,
aber dennoch erzeugen die Zylinder kein signifikantes Nettodrehmoment,
um die Motordrehung zu unterstützen.
Selbst wenn die durch die Zylinderabschaltung verursachte Schwankung
im Drehmoment vom Fahrer vielleicht nicht bemerkt wird, wird an
sich zum Öffnen
und Schließen
des Auslassventils der abgeschalteten Zylinder Energie verbraucht,
wodurch der Motorwirkungsgrad insgesamt herabgesetzt wird. Neben
den elektrischen Verlusten in Verbindung mit dem Öffnen und
Schließen der
Ventile kommt es zu einer weiteren Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs,
weil die Wärme-
und Masseverluste aus dem eingeschlossenen Gas in den Zylindern
aufgrund der höheren
Drücke
und Temperaturen in den nichtzündenden
Zylindern zunehmen. Somit wird in den zündenden Zylindern weiterer
Kraftstoff verbraucht, um die parasitären Verluste aus dem Gaskreislauf
in den nichtzündenden
Zylindern zu überwinden.
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Wenn
Ventile bei einem unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck geöffnet werden,
kann dieser Betrieb schließlich
den Kraftstoffverbrauch erhöhen
und auch die Verluste aus dem Gaskreislauf in den inaktiven Zylindern,
weil es zu einer uneingeschränkten
Ausdehnung des Abgases zurück
in die Zylinder kommt.
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Noch
ein weiterer Nachteil der in dem US-Patent Nr. 6,332,446 beschriebenen
Vorgehensweise betrifft einen erhöhten Ölverbrauch. Mit anderen Worten,
wenn das Verfahren des US-Patents Nr. 6,322,446 unter bestimmten
Bedingungen verlangt, dass der Druck in dem inaktiven Zylinder niedriger
ist als der Atmosphärendruck,
ist der Zylinderdruck daher unter bestimmten Bedingungen auch niedriger als
der Kurbelgehäusedruck
des Motors. An sich bewirkt der Überdruck
im Kurbelgehäuse,
dass Öl
zu dem Zylinder gelangt, und dieses Öl wird wiederum später während der
Verbrennung verbrannt, was zu erhöhten Motoremissionen führt.
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Die
obigen Nachteile werden überwunden durch:
Ein
System für
einen Motor mit mindestens einem ersten und einem zweiten Zylinder,
wobei die Zylinder jeweils mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil
haben. Das System umfasst Folgendes:
ein Steuergerät, das so
konfiguriert ist, dass es:
den Motor in einer ersten Betriebsart
betreibt, wo mindestens sowohl der erste Zylinder als auch der zweite
Zylinder mindestens sowohl ihr jeweiliges Einlass- als auch ihr
jeweiliges Auslassventil öffnen
und schließen,
um Luft anzusaugen, die Luft mit eingespritztem Kraftstoff zu verbrennen
und verbrannte Gasprodukte auszustoßen;
den Motor in einer
zweiten Betriebsart betreibt, wo mindestens der erste Zylinder oder
der zweite Zylinder sein Einlass- und sein Auslassventil öffnet und schließt, um Luft
anzusaugen, die Luft mit eingespritztem Kraftstoff zu verbrennen
und verbrannte Gasprodukte auszustoßen, und der andere von dem ersten
und dem zweiten Zylinder mindestens eines seiner Einlass- und Auslassventile öffnet und schließt, während er
mindestens eines seiner Einlass- und Auslassventile geschlossen
hält;
den
Motor in einer dritten Betriebsart betreibt, wo der erste oder der
zweite Zylinder arbeitet, wobei mindestens sowohl das Einlass- als
auch das Auslassventil während
eines Motortaktes geschlossen sind; und
mindestens die erste
oder die zweite oder die dritte Betriebsart anhand eines Betriebszustandes
ausgewählt
wird.
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Mit
Hilfe der Abschaltung sowohl des geöffneten als auch des geschlossenen
Ventils in Abhängigkeit
von Betriebszuständen
ist es möglich,
die Motorvibration zu reduzieren und gleichzeitig einen niedrigen
Kraftstoffverbrauch zu erhalten. Mit anderen Worten, unter Bedingungen,
wo die Abschaltung des geschlossenen Ventils ansonsten eine übermäßige Vibration
verursachen würde,
kann diese Vibration mit Hilfe der Abschaltung des geöffneten
Ventils reduziert werden. Ebenso kann unter Bedingungen, wo eine
solche Vibration vielleicht nicht übermäßig ist oder vom Fahrer des
Fahrzeugs nicht bemerkt wird, mit der Abschaltung bei geschlossenem
Ventil gearbeitet werden und ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch erreicht
werden, da keine Energie verbraucht wird, um Ventile in Zylindern,
die keine Verbrennung durchführen,
zu öffnen
und zu schließen.
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Mit
anderen Worten, die Erfinder der vorliegenden Erfindung waren in
der Lage, die Motorleistung insgesamt zu optimieren und gleichzeitig
eine hohe Zufriedenheit des Kunden mit dem Fahrgefühl aufrechtzuerhalten.
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Es
sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung bei V-8 Motoren, I-4
Motoren, I-6 Motoren, V-6
Motoren oder verschiedenen anderen Motortypen verwendet werden kann.
Ferner können
die verschiedenen Betriebsarten zum Beispiel unter Verwendung von
elektromechanisch betätigten
Ventilen oder über
Nockenumschaltung bei mechanisch betätigten Ventilen bereitgestellt
werden.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile werden ohne weiteres ersichtlich aus
der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Motors, in dem verschiedene Komponenten im Zusammenhang mit
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind;
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2A eine
schematische vertikale Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum
Steuern der Ventilbetätigung,
wobei sich das Ventil in der vollständig geschlossenen Stellung
befindet;
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2B eine
schematische vertikale Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum
Steuern der Ventilbetätigung
gemäß 1,
wobei sich das Ventil in der vollständig geöffneten Stellung befindet;
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3 ein
abstrahiertes Flussdiagramm zur Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung;
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4A–4E Zeitdiagramme,
in denen die Funktionsweise eines Motorventils gemäß einem Beispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist; und
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5-9 und 11-12 eine
Darstellung von Versuchs- und Simulationsdaten; und
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10 eine
graphische Darstellung der Betriebsarten einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Anhand
von 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt.
Der Motor 10 ist ein Motor eines von Fahrern auf Straßen gefahrenen
Personenfahrzeugs oder Lastkraftwagens. Der Motor 10 ist über die
Kurbelwelle 13 mit einem Drehmomentwandler verbunden. Der
Drehmomentwandler ist außerdem über die
Turbinenwelle mit dem Getriebe verbunden. Der Drehmomentwandler
hat eine Bypasskupplung, die eingerückt, ausgerückt oder teilweise eingerückt werden
kann. Wenn die Kupplung ausgerückt
oder teilweise eingerückt
ist, sagt man, der Drehmomentwandler befindet sich in einem entriegelten
Zustand. Die Turbinenwelle ist auch als Getriebeeingangswelle bekannt.
Das Getriebe umfasst ein elektronisch gesteuertes Getriebe mit mehreren
einzelnen wählbaren Übersetzungsverhältnissen.
Das Getriebe umfasst außerdem
verschiedene andere Gänge,
wie zum Beispiel eine Achsantriebs-Untersetzung. Das Getriebe ist
außerdem über eine
Achse mit Reifen verbunden. Die Reifen verbinden das Fahrzeug mit der
Straße.
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Der
Verbrennungsmotor 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen
ein in 1 dargestellter Zylinder durch das elektronische
Motorsteuergerät 12 gesteuert
wird. Der Motor 10 umfasst den Brennraum 30 und
Zylinderwände 32,
wobei der Kolben 36 darin positioniert und mit der Kurbelwelle 13 verbunden
ist. Der Brennraum 30 steht mit dem Ansaugkrümmer 44 und
dem Abgaskrümmer 48 über das
Einlassventil 52 bzw. das Auslassventil 54 in
Verbindung. Der Sauerstoffsensor 16 (EGO) ist mit dem Abgaskrümmer 48 des
Motors 10 stromaufwärts
von dem Katalysator 20 verbunden. In einem Beispiel ist
der Katalysator 20 ein Dreiwegekatalysator zum Umwandeln
der Emissionen während
eines Betriebs im stöchiometrischen Bereich.
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Wie
im Folgenden anhand von 2a und 2b näher beschrieben,
wird mindestens eines und möglicherweise
beide der Ventile 52 und 54 über die Vorrichtung 210 elektronisch
gesteuert.
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Der
Ansaugkrümmer 44 steht
mit dem Drosselklappengehäuse 64 über die
Drosselklappe 66 in Verbindung. Die Drosselklappe 66 wird
durch einen Elektromotor 67 gesteuert, der ein Signal von
dem ETC-Treiber 69 empfängt.
Der ETC-Treiber 69 empfängt
ein Steuersignal (DC) von dem Steuergerät 12. Bei einer alternativen
Ausführungsform
wird keine Drosselklappe verwendet, und die Luftmenge wird allein
mit den Ventilen 52 und 54 geregelt. Wenn die Drosselklappe 66 enthalten
ist, kann sie ferner zum Reduzieren der Luftmenge verwendet werden,
wenn die Ventile 52 oder 54 nicht mehr funktionieren,
oder wenn Vakuum Zusatzgeräte
betreiben oder durch das Ansaugen bedingte Geräusche reduzieren soll.
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Der
Ansaugkrümmer 44 ist
außerdem
mit dem Kraftstoffinjektor 68 verbunden, um Kraftstoff proportional
zur Impulsbreite des Signals (fpw) von dem Steuergerät 12 zuzuführen. Kraftstoff
wird dem Kraftstoffinjektor 68 durch eine herkömmliche
Kraftstoffanlage (nicht dargestellt) zugeführt, die einen Kraftstofftank,
eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffverteilerleitung (nicht
dargestellt) umfasst.
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Der
Motor 10 umfasst ferner eine herkömmliche verteilerlose Zündanlage 88,
um in Reaktion auf das Steuergerät 12 einen
Zündfunken über die
Zündkerze 92 zu
dem Brennraum 30 zu übertragen.
Bei der hierin beschriebenen Ausführungsform ist das Steuergerät 12 ein
herkömmlicher
Mikrocomputer, der Folgendes umfasst: eine Mikroprozessoreinheit 102,
Eingabe/Ausgabe-Ports 104, einen elektronischen Speicherchip 106,
der in diesem speziellen Beispiel ein elektronisch programmierbarer
Speicher ist, einen Direktzugriffsspeicher 108 und einen
herkömmlichen
Datenbus.
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Das
Steuergerät 12 empfängt zusätzlich zu den
bereits erörterten
Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen
Sensoren, einschließlich:
Messungen der angesaugten Luftmasse (MAF) von dem Luftmassensensor 110,
der mit dem Drosselklappengehäuse 64 verbunden
ist; die Motorkühlmitteltemperatur
(ECT) von dem mit dem Kühlmantel 114 verbundenen
Temperatursensor 112; eine Messung des Krümmerdruckes
von dem MAP-Sensor 129 (MAP = Absolutdruck im Ansaugkrümmer), eine
Messung der Drosselklappenstellung (TP) von dem mit der Drosselklappe 66 verbundenen Drosselklappenstellungssensor 117;
eine Messung des Getriebewellendrehmoments oder des Motorwellendrehmoments
von dem Drehmomentsensor 121, eine Messung der Turbinendrehzahl
(Wt) von dem Turbinendrehzahlsensor 119, wobei die Turbinendrehzahl
die Drehzahl der Turbinenwelle (Ausgang eines Drehmomentwandlers,
falls vorhanden) angibt, und ein Profilzündungsgebersignal (PIP) von
dem mit der Kurbelwelle 13 verbundenen Hall-Sensor 118, das
eine Motordrehzahl (N) und -stellung angibt. Alternativ kann die
Turbinendrehzahl aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Übersetzungsverhältnis ermittelt
werden.
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Gemäß 1 nun
weiterhin steht das Fahrpedal 130 mit dem Fuß 132 des
Fahrers in Verbindung. Die Fahrpedalstellung (PP) wird durch den
Pedalstellungssensor 134 gemessen und zu dem Steuergerät 12 gesendet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform,
wo keine elektronisch gesteuerte Drosselklappe verwendet wird, kann
ein Luftumleitventil (nicht dargestellt) montiert sein, damit eine
kontrollierte Luftmenge die Drosselklappe 62 umgehen kann.
Bei dieser alternativen Ausführungsform
empfängt
das Luftumleitventil (nicht dargestellt) ein Steuersignal (nicht
dargestellt) von dem Steuergerät 12.
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Anhand
von 2A und 2B ist
eine Vorrichtung 210 dargestellt, die dazu dient, die Bewegung
eines Ventils 212 in einem Motor 10 ohne Nockenwelle
zwischen einer vollständig
geschlossenen Stellung (dargestellt in 2A) und
einer vollständig geöffneten
Stellung (dargestellt in 2B) zu
steuern. Die Vorrichtung 210 umfasst einen elektromagnetischen
Ventilaktuator (EVA) 214 mit einer oberen und einer unteren
Spule 216, 218, die einen Anker 220 gegen
die Kraft einer oberen und einer unteren Feder 222, 224 elektromagnetisch
ansteuern, um die Bewegung des Ventils 212 zu steuern.
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Es
sind schalterartige Stellungssensoren 228, 230 und 232 vorgesehen
und so montiert, dass sie umschalten, wenn der Anker 220 den
Ort des Sensors kreuzt. Es ist anzunehmen, dass schalterartige Stellungssensoren
aufgrund der Optotechnik (z.B. LEDs und Photoelemente) leicht herzustellen sind
und in Kombination mit einer entsprechenden asynchronen Schaltung
ein Signal mit ansteigender Flanke liefern würden, wenn der Anker den Ort
des Sensors kreuzt. Ferner ist anzunehmen, dass diese Sensoren im
Vergleich zu kontinuierlichen Stellungssensoren zu einer Kostensenkung
führen
würden und
zuverlässig
wären.
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Das
Steuergerät 234 (das
in das Steuergerät 12 integriert
werden kann oder als separates Steuergerät wirken kann) ist mit den
Stellungssensoren 228, 230 und 232 und
mit der oberen und unteren Spule 216, 218 funktionsmäßig verbunden,
um die Betätigung
und Landung des Ventils 212 zu steuern.
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Der
erste Stellungssensor 228 ist um die Mittelstellung herum
zwischen den Spulen 216, 218 angeordnet, der zweite
Sensor 230 ist nahe bei der unteren Spule 218 angeordnet,
und der dritte Sensor 232 ist nahe bei der oberen Spule 216 angeordnet.
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Es
gibt zwar verschiedene Verfahren zum Senken des Kraftstoffverbrauchs
eines Fahrzeugs mit Hilfe elektrisch betätigter Motorzylinderventile, doch
ist die Zylinderabschaltung eine Möglichkeit, mit der Motorpumpverluste
und Wärmeübertragungsverluste
reduziert werden. In einem Beispiel wird ein Teil der Zylinder abgeschaltet,
und die übrigen
Zylinder werden effizienter betrieben, um dem Energiebedarf des
Motors gerecht zu werden. Leider ist der Einsatz der Zylinderabschaltung
unter bestimmten Bedingungen dadurch eingeschränkt, dass der Kunde vermehrt
Vibration und Ruppigkeit empfindet. Die Zylinderabschaltung kann
die Frequenz von Torsionskräften
des Motors reduzieren und deren Amplitude erhöhen, so dass die normalen Wandler-,
Schwungrad- und Dämpfungskomponenten
die Drehmomentbelastungen nicht mehr adäquat auf ein akzeptables Maß filtern
können,
vor allem bei niedrigen Motordrehzahlen. Bei einer typischen Abschaltstrategie können zum
Beispiel durch Torsionskräfte
des Motors unter 2000 U/min verursachte Effekte wie Geräusche, Schwingungen
und Ruppigkeit (NVH) zu einem schlechteren Fahrgefühl des Kunden
führen.
Das bedeutet, dass während
eines signifikanten Teils einer Stadtfahrt die Zylinderabschaltung
unter Abschaltung aller Ventile möglicherweise nicht optimal
(bzw. für den
Kunden akzeptabel) ist.
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Ein
weiteres Problem bei der Zylinderabschaltung ist ein erhöhter Ölverbrauch.
Bei früheren Methoden
der Abschaltung werden die Motorventile geschlossen, so dass die
im Zylinder eingeschlossenen Gase polytropisch komprimiert und ausgedehnt werden. Über einen
kurzen Zeitraum wird der Mindestdruck im Zylinder durch Wärmeübertragungs- und
Masseverluste über
die Ringpackung auf einen Wert unter Atmosphärendruck reduziert. Während eines
signifikanten Teils des Betriebszyklus sind die Innendrücke der
abgeschalteten Zylinder bedeutend niedriger als der Kurbelgehäusedruck.
Dies kann den Transport von Öl
von dem Kurbelgehäuse
in die Zylinder verstärken,
und das Öl
wird anschließend
verbrannt, wenn die Zylinder wieder zugeschaltet werden.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt alternative Verfahren zur Zylinderabschaltung,
um die obigen Probleme zu lösen.
Sie eignet sich insbesondere für
Motoren mit elektronischer Ventilbetätigung, weil ungewöhnliche
Ereignisse beim Ansaugen und/oder Ausstoßen möglich sind. Das Verfahren kann
jedoch auf herkömmliche
Nockenwellenmotoren mit veränderlichem
Hubraum ausgedehnt werden, wenn zum Beispiel ein Nockenprofilumschaltmechanismus
verwendet wird, um die Abschaltung zu erreichen. In diesem Beispiel
kann ein Nockenprofilumschaltmechanismus gewählt werden, wo das Profil dazu
ausgelegt ist, eine optimale Aufhebung und einen optimalen Kraftstoffverbrauch
bei einem im Hinblick auf Geräusche,
Schwingungen und Ruppigkeit (NVH) problematischen Drehzahllastbereich
bereitzustellen.
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Wie
oben erläutert,
kann die Zylinderabschaltung dadurch erreicht werden, dass alle
Tellerventile (d.h. Einlass- und Auslassventile) in der geschlossenen
Stellung abgeschaltet werden. Dieses Verfahren minimiert die parasitären Gasarbeitsverluste
in den nichtzündenden
Zylindern, ist aber unter dem Gesichtspunkt eines Gesamtwirkungsgrades nicht
unbedingt das effektivste Verfahren. Eine Systemperspektive würde zum
Beispiel die parasitären Verluste
des Abschaltmechanismus einschließen, die die durch das Abschalten
aller Ventile erreichte Einsparung an Gasarbeit aufheben können oder auch
nicht. Außerdem
kann das Abschaltverfahren einen bedeutenden Einfluss haben auf
das Motorausgangsdrehmomentsignal, und dies kann wiederum einen
bedeutenden Einfluss auf den Bereich von Betriebsbedingungen haben,
wo die Zylinderabschaltung unter einem gegebenen Satz von Auflagen des
Kunden bezüglich
Geräuschen,
Schwingungen und Ruppigkeit (NVH) eingesetzt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung arbeitet mit einer Abschaltung der geöffneten
Ventile (in Kombination mit einer Abschaltung der geschlossenen
Ventile), um die Motordrehmomentcharakteristik zu verbessern und
mögliche
Probleme hinsichtlich des Ölverbrauchs
zu reduzieren, während
gleichzeitig ein niedriger Kraftstoffverbrauch aufrechterhalten
wird. In einer Ausführung
werden die Auslassventile abgeschaltet (um jeglichen unerwünschten
Durchbruch des Luftstroms zu dem Katalysator zu verhindern), und
die Einlassventile sind während
des normalen Ansaughubs und dann auch während des normalen Auslassereignisses
geöffnet.
Diese Betriebsart kann gewünschtenfalls
dazu führen,
dass es keinen Nettoluftstrom durch den nichtzündenden Zylinder gibt. Die
genauen Einlassventilöffnungs-
und -schließzeiten
sind so gewählt,
dass Verluste reduziert werden und eine gewünschte Drehmomentsignatur in
Abhängigkeit
von der Motorlast erhalten wird. Die Drehmomentsignatur könnte so
gewählt
werden, dass die Amplitude des niederfrequenten Anteils des Nettomotordrehmomentprofils
minimiert wird. Damit wird im Wesentlichen während der einen Hälfte des Motortaktes
ein Zylinderinnendruck in der Nähe
des Ansaugkrümmerdruckes
aufrechterhalten, und die Höhe
des Drehmoments beim Verdichten und Ausdehnen wird während der
anderen Hälfte
des Motortaktes erhöht.
Die Vorgänge
des Verdichtens und Ausdehnens sind naturgemäß so getaktet, dass Motordrehmomentausschläge geglättet werden
(das Drehmoment beim Zünden
dient dazu, das Gas in den nichtzündenden Zylindern zu komprimieren,
und wird anschließend
beim Vorgang des Ausdehnens wiederhergestellt). Bei einem V8-Motor
unter Teillastbedingungen sind der Frequenzanteil und die Form des
Motordrehmoments einem voll zündenden
Motor ähnlicher.
Bei einer weiteren Ausführung
werden die Einlassventile abgeschaltet, und die Auslassventile sind
während
des normalen Auslasshubs und während
des normalen Einlasshubs geöffnet.
Diese Betriebsart kann ebenfalls dazu führen, dass es gewünschtenfalls
keinen Nettoluftstrom durch den nichtzündenden Zylinder gibt. Die
genauen Auslassventilöffnungs-
und -schließzeiten
sind so gewählt, dass
Pumpverluste reduziert werden und eine gewählte Drehmomentsignatur in
Abhängigkeit
von der Motorlast erhalten wird. Diese Ausführung mit geöffneten
Auslassventilen könnte
dazu verwendet werden, eine übermäßige Abkühlung der
Zylinderwände zu
verhindern und eine Erwärmung
der Füllung
in dem Ansaugkrümmer
zu vermeiden. (Eine Erwärmung
der Einlassfüllung
könnte
eine vorübergehende
Kraftstoffkompensation beim Umschalten von einem abgeschalteten
Modus zu einem zugeschalteten Modus zu einer schwierigen Aufgabe
machen. Die Erwärmung
der Einlassfüllung
kann außerdem dazu
führen,
dass die zündenden Zylinder
klopfen, wenn sie bei hohen Pegeln des indizierten mittleren Arbeitsdruckes
(MAD) laufen).
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Falls
gewünscht,
könnte
die Ausführung
mit geöffneten
Einlassventilen dazu verwendet werden, einen etwas niedrigeren Kraftstoffverbrauch
zu erreichen als bei der Ausführung
mit geöffneten
Auslassventilen. Mit anderen Worten, da die Füllung aus dem Ansaugkrümmer kühler ist,
sind die Wärme-
und Masseübergangsverluste
beim Verdichten und Ausdehnen (wenn die Ventile geschlossen sind)
niedriger als bei geöffneten
Auslassventilen.
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Die
Einstellung des Zeitpunkts eines Ereignisses kann auch während Übergängen vorgenommen
werden, um den Durchbruch von Sauerstoff und/oder Kohlenwasserstoff
zu dem Nachbehandlungssystem zu verhindern. Weil die Ansaug- und Ausstoßereignisse
ungewöhnliche
Zeiten und Dauern haben, um bei diesen Beispielen die Pumparbeit zu
reduzieren, ist eine vollständig
flexible Ventilsteuerung wie im Falle der elektronischen Ventilbetätigung (EVA)
eine auszuführende
Architektur; das Verfahren könnte
jedoch auch unter Verwendung von Nockenprofilumschaltmechanismen
eingesetzt werden, wenn die entsprechenden Nockenprofile für die Abschaltbetriebsart
verwendet werden.
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Es
sei angemerkt, dass die Schemata der Abschaltung der geöffneten
Auslassventile (oder geöffneten
Einlassventile) dort verwendet werden könnten, wo ein Öffnungsereignis
von kurzer Dauer verwendet wird, das ungefähr um den unteren Totpunkt zentriert
ist. Hier findet eine Verdichtung und Ausdehnung der Zylindergase
während
jeder Umdrehung statt, und dies kann bei einigen Motorarchitekturen eine
bessere Aufhebung der Torsionskräfte
bei höheren
Lasten bewirken. Unter den typischeren Bedingungen einer niedrigeren
Drehzahl und geringeren Last sind jedoch die Wärme- und Masseübergangsverluste
während
des Verdichtens und Ausdehnens größer als die Verluste während des
Gaswechsels zu und von denn Abgaskrümmer (oder Ansaugkrümmer). Außerdem sind
bei dieser Ausführungsform mehr
Ventilübergänge erforderlich,
was die parasitären
Verluste erhöht;
daher reduzieren die Schemata einer längeren Öffnungsdauer (wo die Ventile
mindestens für
eine volle Umdrehung geöffnet
sind) den Kraftstoffverbrauch und können dazu verwendet werden,
einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch bereitzustellen.
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Die
Erfindung hat mehrere Vorteile gegenüber bekannten Methoden der
Zylinderabschaltung:
- (1) Der Bereich des Ventilabschaltbetriebs
kann ausgedehnt werden, um den Kraftstoffverbrauch im Fahrzyklus
zu senken;
- (2) die Kosten können
minimiert werden, weil die Neugestaltung des Systems (zum Beispiel
Drehmomentwandlerkupplung und Dämpfer)
minimiert werden kann;
- (3) der Ölverbrauch
kann aufgrund höherer
Zylinderinnendrücke
gesenkt werden;
- (4) Geräusche,
Schwingungen und Ruppigkeit (NVH) sind verbessert;
- (5) die Zylinderabkühlung
kann reduziert werden, um die vorübergehende Kraftstoffkompensation zu
vereinfachen und Emissionen zu reduzieren.
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Die
primäre
Motorsteuerstrategie mit Ventilabschaltung kann dahingehend modifiziert
werden, dass die Abschaltung der geöffneten Ventile in entsprechenden
Motor/Drehzahl-Lastbereichen verwendet wird, um den gewünschten
Ausgleich zwischen Kraftstoffverbrauch, Torsionskräften des
Motors und Ölverbrauch
zu erhalten. Bei höheren
Motordrehzahlen ist zum Beispiel die Zündfrequenz des Motors höher, so
dass eine vollständige
Ventilabschaltung verwendet werden kann, ohne inakzeptable Schwingungen
des Antriebsstranges herbeizuführen.
Dies würde
den Kraftstoffverbrauch optimieren, weil die Pumpverluste des Motors
minimiert wären.
Bei niedrigeren Motordrehzahlen und -lasten würde die Abschaltung der geöffneten
Ventile verwendet werden, um Schwingungen zu minieren, wobei nach
wie vor die Vorzüge
einer Kraftstoffeinsparung durch Zylinderabschaltung erzielt werden.
Die Abschaltung der geöffneten
Ventile kann auch in regelmäßigen Abständen verwendet
werden, um den Druckpegel in dem abgeschalteten Zylinder anzuheben
und somit den Ölverbrauch
zu senken. Eine solche Methode wird im Folgenden näher beschrieben.
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Anhand
von 3 wird nun eine Routine zum Auswählen der
Motorbetriebsart und des Ventilabschaltmodus beschrieben. Wie für einen
Durchschnittsfachmann klar ist, können die nachfolgend in den
Flussdiagrammen beschriebenen spezifischen Routinen eine oder mehrere
einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien wie zum Beispiel ereignisgesteuerte
und unterbrechungsgesteuerte Strategien, Multitasking, Multithreading
und dergleichen darstellen. An sich können die verschiedenen dargestellten Schritte
oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel
durchgeführt
oder in einigen Fällen
weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung
nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der Erfindung
zu erzielen, dient aber einer Vereinfachung der Veranschaulichung
und Beschreibung. Wenngleich dies nicht explizit dargestellt ist,
wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass ein oder mehr veranschaulichte
Schritte oder Funktionen je nach der speziell verwendeten Strategie
wiederholt durchgeführt werden
können.
Ferner ist in diesen Figuren der in das maschinenlesbare Speichermedium
in dem Steuergerät 12 zu
programmierende Code graphisch dargestellt.
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Zunächst liest
die Routine in Schritt 310 Motorbetriebsparameter, die
zum Beispiel folgende umfassen: Motordrehzahl, Motorlast (oder -drehmoment),
Abgastemperatur, Zylindertemperatur/Motorkühlmitteltemperatur und verschiedene
andere Parameter. Als Nächstes
ermittelt die Routine in Schritt 312 die Zahl der abzuschaltenden
Zylinder, und welche Zylinder abzuschalten sind. Mit anderen Worten, die
Routine kann abwechselnd verschiedene Zylindergruppen sowie verschiedene
Zylinder in den Zylindergruppen abschalten. In einem Beispiel wählt die Routine
anhand der in 10 angegebenen Motordrehzahl
und -last aus, ob die Zylinderabschaltung zu aktivieren ist, wie
nachfolgend beschrieben. Es können
jedoch auch andere beispielhafte Methoden verwendet werden, die
auf dem gewünschten
Motordrehmoment oder verschiedenen anderen Bedingungen basieren,
wie zum Beispiel: Abgastemperatur, Zylindertemperatur, Motorkühlmitteltemperatur,
Batteriespannung, und verschiedene andere.
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Wenn
die Antwort auf Schritt 312 JA lautet, geht die Routine
weiter zu Schritt 314. In Schritt 314 stellt die
Routine fest, ob mit der Abschaltung der geöffneten Ventile oder mit der
Zylinderabschaltung der geschlossenen Ventile gearbeitet werden
soll. Wieder wird eine beispielhafte Methode in 10 beschrieben,
die im Folgenden erläutert
wird. Die Entscheidung, ob die Abschaltung der geöffneten
Ventile oder die Abschaltung der geschlossenen Ventile aktiviert
werden soll, basiert insbesondere auf der Ermittlung der aktuellen
Motordrehzahl und -last im Ver gleich zu Schwellenwerten für Drehzahl
und Last. Alternativ können
auch andere Parameter herangezogen werden, um die Art der Zylinderabschaltung
zu ermitteln, wie zum Beispiel: gewünschtes Motordrehmoment und
gewünschte
Motordrehzahl, Batteriespannung und verschiedene andere Parameter.
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Wenn
die Antwort auf Schritt 314 JA lautet, geht die Routine
weiter zu Schritt 316. In Schritt 316 stellt die
Routine fest, ob die Einlass- oder die Auslassventilöffnung während der
Abschaltung der geöffneten
Ventile verwendet werden soll. Insbesondere kann, wie oben erörtert, die Öffnung des
Einlassventils auf den abgeschalteten Zylindern, oder die Öffnung des
Auslassventils auf den abgeschalteten Zylindern herangezogen werden,
um die Schwankung im Motordrehmoment zu reduzieren. Die Feststellung,
ob die Einlass- oder die Auslassventilöffnung während der Zylinderabschaltung
herangezogen werden soll, kann auf verschiedenen Motorbetriebsbedingungen
basieren oder man kann wählen,
zwischen der Einlass- und Auslassventilöffnung der abgeschalteten Zylinder
abzuwechseln. Wenn die Abschaltung der geöffneten Einlassventile gewählt wird, geht
die Routine weiter zu Schritt 318. Wenn alternativ die
Auslassventilabschaltung gewählt
wird, geht die Routine weiter zu Schritt 320.
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Es
sei angemerkt, dass bei Verwendung eines geöffneten Einlassventils (oder
geöffneter
Einlassventile) für
abgeschaltete Zylinder das(die) Auslassventile) geschlossen gehalten
wird (werden). In einem Beispiel ist die Zeitsteuerung so, dass
damit jeglicher unerwünschter
Nettogasstrom durch den Motor verhindert wird, was sich auf die
Nachbehandlungsleistung, die Nachbehandlungstemperaturen etc. auswirken
könnte.
Indem der Nettoluftstrom durch den Motor eingestellt wird, können mehrere Vorteile
bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Kühlung der Abgasanlage oder
Zufuhr von Sauerstoff zu dem Abgas, um während des Kaltstarts eine Exotherme
zu erzeugen.
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In
Schritt 318 stellt die Routine den Einlassventilöffnungs-
und/oder -schließzeitpunkt
(der Einlassventile auf den abgeschalteten Zylindern) anhand der
Motorlast und, falls gewünscht,
anhand verschiedener anderer Bedingungen ein. Außerdem wird diese Einstellung
des Einlassventilöffnungs- und/oder
-schließzeitpunkts
durchgeführt,
während die
Motorleistung über
die Kraftstoffeinspritzung und/oder die Ventilsteuerung der eine
Verbrennung durchführenden
aktiven Zylinder eingestellt wird. Ferner wird die Kraftstoffeinspritzung
in die abge schalteten Zylinder (bei geöffneten Einlassventilen) unterbrochen.
Es sei angemerkt, dass die Einstellung des Einlassventilöffnungs-
und/oder -schließzeitpunkts bei
den abgeschalteten Zylindern anhand von Motorbetriebsbedingungen
so gewählt
wird, dass ein Ausgleich des Motordrehmoments über den Bereich von Motorbetriebsbedingungen
bereitgestellt wird. Insbesondere kann die Schwankung im Einlassventilöffnungs-
und/oder -schließzeitpunkt
als Funktion der Motorlast dargestellt werden, um einen optimalen Ausgleich
des Motordrehmoments über
einen Bereich von Motorbetriebsparametern bereitzustellen.
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Ebenso
stellt die Routine in Schritt 320 den Auslassventilöffnungs-
und/oder -schließzeitpunkt anhand
der Motorlast (und/oder sonstiger Bedingungen, falls gewünscht) für die abgeschalteten
Zylinder ein. Während
ferner die Einstellung des Auslassventilöffnungs- und/oder -schließzeitpunkts
bei den abgeschalteten Zylindern durchgeführt wird, wird die Motorleistung über die
Kraftstoffeinspritzung und/oder Ventileinstellung des eine Verbrennung durchführenden
aktiven Zylinders eingestellt. Wie in Schritt 318 stellt
die Routine den Öffnungs-
und/oder Schließzeitpunkt
bei den abgeschalteten Zylindern in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen
(wie zum Beispiel Motorlast) ein, um den Ausgleich des Nettomotordrehmoments über einen
Bereich von Motorbetriebsparametern zu optimieren (und dadurch Motorschwingungen
zu minimieren).
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Um
mit 3 fortzufahren, so geht die Routine dann, wenn
die Antwort auf Schritt 314 NEIN lautet, weiter zu Schritt 322,
um die aktiven Zylinder so zu betreiben, dass sie eine Verbrennung
durchführen.
Ferner betreibt die Routine in Schritt 322 die für die Abschaltung
ausgewählten
Zylinder so, dass sie während
des Motortaktes mit geschlossenen Einlass- und Auslassventilen arbeiten.
Ferner stellt die Routine in Schritt 322 die Motorleistung über die
Einstellung des Luftstroms und/oder des eingespritzten Kraftstoffs
in den eine Verbrennung durchführenden aktiven
Zylindern ein.
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Wenn
die Antwort auf Schritt 312 NEIN lautet, geht die Routine
schließlich
weiter zu Schritt 324, um alle Zylinder so zu betreiben,
dass sie eine Verbrennung durchführen.
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Es
sei angemerkt, dass in der obigen Beschreibung eine beispielhafte
Funktionsweise für
Zylinder mit einem Einlassventil und einem Auslassventil beschrieben wurde.
Es sein angemerkt, dass die Zylinder mehrere Einlassventile und/oder
mehrere Auslassventile haben können.
Ferner kann die Routine jeweils bei allen Einlass- und Auslassventilen
eines Zylinders eine identische Funktionsweise durchführen oder
die Abschaltung einfach bei einem von den Einlassventilen und einem
von den Auslassventilen des Zylinders durchführen.
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Anhand
von 4A wird nun ein erstes Zeitdiagramm des Motorbetriebs
anhand einer beispielhaften Funktionsweise gemäß einer Ausführungsform
beschrieben. Die Figur zeigt einen Vierzylindermotor unter Angabe
der Lage des Kolbens (O = oberer Totpunkt, U = unterer Totpunkt).
Ein Sternchen zeigt an, dass Luft und Kraftstoff in dem Zylinder
gezündet
werden. Ferner wird der Ventilhub entweder für das Einlassventil (IN) oder
das Auslassventil (EX) angegeben. Die Figur gibt drei Betriebsarten
bei der vorliegenden Erfindung an. Zunächst zünden alle Zylinder. Dann zeigt
die Figur die Funktionsweise bei Zylinderabschaltung und Einspritzung
bei geöffnetem
Ventil, insbesondere Einspritzung bei geöffnetem Auslassventil. Außerdem gibt
die Routine an, wie der Auslassventilöffnungs- und -schließzeitpunkt
der abgeschalteten Zylinder so eingestellt werden kann, dass der
Ausgleich des Motordrehmoments insgesamt verbessert werden kann.
Schließlich
veranschaulicht die Figur die Funktionsweise der Zylinderabschaltung,
wenn alle Einlass- und Auslassventile geschlossen gehalten werden.
Es sei angemerkt, dass es im Modus der Zylinderabschaltung bei geöffneten
Ventilen nicht erforderlich ist, in jedem Zyklus das Einlassventil
oder das Auslassventil zu öffnen. Vielmehr
kann zum Beispiel das Auslassventil alle paar Zyklen geöffnet werden,
um Abgas aus dem Zylinder entweichen zu lassen. Wenn die Ventile
auf den abgeschalteten Zylindern nicht in jedem Zyklus geöffnet werden,
kann die Routine außerdem
speziell verlangen, dass die Auslassventile in einem Zyklus, wo
sich die Motorbetriebsbedingungen geändert haben, geöffnet werden,
so dass ein neuer gewünschter
Auslassventilöffnungs-
und/oder -schließzeitpunkt verlangt
wird, um das Ungleichgewicht im Motordrehmoment zu reduzieren.
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Anhand
von 4B–4E sind
nun Zeitdiagramme für
den Motorbetrieb eines V8-Motors
in verschiedenen Betriebsarten dargestellt. Der Motor hier hat die
Zündfolge
1-5-4-2-6-3-7-8. Vertikale Linien geben die Lage des oberen und
unteren Totpunkts an, während
die Beschriftungen I (= intake stroke), C (= compression stroke),
P (= power stroke) und E (= exhaust stroke) das angeben, was normalerweise der
Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakt wäre. Das
Ereignis des Öff nens
im Ansaug- und Auspufftakt ist in durchgehenden bzw. gestrichelten
Linien dargestellt.
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Anhand
von 4B ist ein Zeitdiagramm für zwei Zylinder eines V8-Motors
dargestellt, wobei mit der Ventilabschaltung bei geschlossenen Ventilen
aller abgeschalteten Zylinder gearbeitet wird. Zunächst laufen
die Zylinder Nr. 1 und 5 in der V8-Betriebsart, wobei beide Zylinder
zünden,
wie durch das Sternchen angegeben, das die Zündung anzeigt. Wenn der Motor
in den 4-Zylinder-Modus übergeht,
wird der Auspufftakt von Zylinder Nr. 5 beendet, Kraftstoffeinspritzung
und Zündung
werden deaktiviert und Einlass- und Auslassventil bleiben für die folgenden
Zyklen geschlossen. Die Zylinder Nr. 2, 3 und 8 (nicht dargestellt)
werden ebenfalls abgeschaltet, während die
Zylinder Nr. 1, 4, 6 und 7 weiterhin zünden. Dies ergibt ein gleichmäßiges Zündmuster
für den
Motor im 4-Zylinder-Modus. Wenn der volle V8-Modus gewünscht wird,
werden die Zylinder Nr. 5 (und 2, 3 und 8) wieder zugeschaltet,
wie in der Figur gezeigt. Wie in der Einleitung erörtert, hat
eine solche Methode wie in 4B auch
Nachteile, da das Ungleichgewicht im Drehmoment zwischen zündenden
und nichtzündenden
Zylindern verstärkt
zu Geräuschen, Schwingungen
und/oder Ruppigkeit führen
kann.
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4C zeigt
die Zylinderabschaltung, wo die Einlassventile geschlossen sind
und die Auslassventile geöffnet
bleiben, um höhere
Zylinderinnendrücke
bereitzustellen, um Drehmoment aufzuheben und die Zylinder zu füllen. Insbesondere
zeigt diese Figur ein Beispiel für
die Abschaltung bei geöffnetem Auslassventil
mit langer Dauer. Hier arbeitet der Motor zunächst im V8-Modus. Um in den
4-Zylinder-Modus überzugehen,
bleibt das Auslassventil während des
Ansaugtaktes geöffnet
und schließt
dann nach UT des Einlassventils, um den gewünschten Druckpegel einzustellen
(die Zylinder Nr. 2, 3 und 8 sind ähnlich). Im 4-Zylinder-Modus werden Kraftstoffeinspritzung
und Zündung
zusammen mit den Einlassventilen abgeschaltet. Ferner kann die Dauer
so abgestimmt werden, dass die Druckpegel in den abgeschalteten
Zylindern gewünschtenfalls
in Abhängigkeit
von der Last eingestellt werden, wie durch die Pfeile 410 angedeutet.
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4D zeigt
die Zylinderabschaltung, wo die Einlassventile öffnen und schließen, während die Auslassventile
geschlossen sind. Dies wird als Beispiel für die Abschaltung bei geöffnetem
Einlass mit langer Dauer bezeichnet. Die Übergänge sind ähnlich wie in 4C angegeben.
Ferner kann die Dauer so abgestimmt sein, dass die Druckpegel in
den abgeschalteten Zylindern gewünschtenfalls
in Abhängigkeit
von der Last eingestellt werden, wie durch die Pfeile 420 angedeutet.
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4E zeigt
ein Beispiel für
eine Abschaltung bei geöffnetem
Auslass von kurzer Dauer, wo das Auslassventil vor dem unteren Totpunkt
geöffnet wird
und dann kurz nach dem unteren Totpunkt geschlossen wird. Hier kann
das Öffnen
in Abhängigkeit von
der Zylinderundichtigkeit, der Wärmeübertragung
und von Lastwechseln intermittierend erfolgen. Die Einlassventile
sind geschlossen. Wie durch den Pfeil 430 angedeutet, ist
es außerdem
möglich,
die Dauer abzustimmen, um den Druckpegel in abgeschalteten Zylindern
in Abhängigkeit
von der Last einzustellen. Es sei angemerkt, dass ein Ventil intermittierend
geöffnet
werden kann, um den gewünschten
Druckpegel anhand der Last, der Zylinderundichtigkeit und der Wärmeverlustraten,
etc. einzustellen.
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Beispielhafte
Merkmale der Erfindung können
weiter beschrieben werden durch einen Vergleich der Zylinderinnendrücke und
des anschließenden
Ausgangsdrehmoments der Kurbelwelle in Verbindung mit verschiedenen
Arten der Ventilabschaltung. 5 zeigt
eine Schätzung
des indizierten Motorausgangsdrehmoments für einen mit 1000 U/min und
bei einer Last von 1,5 bar mittlerem Arbeitsdruck (MAD) arbeitenden
V8-Motor. Es ist eine herkömmliche
Funktionsweise dargestellt (alle Zylinder zünden), und es sind Arten der
Zylinderabschaltung dargestellt, wo die Hälfte der Zylinder abgeschaltet
wird, um im 4-Zylinder-Modus zu arbeiten. Das in der Figur dargestellte
indizierte Drehmoment ist einfach aus den einzelnen Zylinderinnendruckkurven,
der Geometrie des Kurbeltriebs und den Masseparametern konstruiert.
Um die Daten für
den Zylinderinnendruck zu erhalten, kann sowohl mit einem Zyklussimulationsmodell
als auch mit bei einem Motor mit elektromagnetischer Ventilbetätigung gemessenen
Daten gearbeitet werden.
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Gemäß 5 kann
die Zylinderabschaltung die Amplitude (oder "AC"-Komponente) des Drehmomentsignals
in Bezug auf eine volle Zündung
signifikant vergrößern, wenn
mit voller Ventilabschaltung gearbeitet wird. Wenn dagegen die Einlass-
oder Auslassventile zu einem entsprechenden bzw. ausgewählten Zeitpunkt
während
des Motortaktes geöffnet
werden, wird durch das Kompressionsdrehmoment der nichtzündenden
Zylinder ein Teil des abgegebenen Drehmoments bei einem normalen
Verbrennungshub kompensiert und das positive Ex pansionsdrehmoment
füllt die
Drehmomentlücke,
die zwischen den Zündereignissen
auftritt. Dies verkleinert die Amplitude des Signals und verdoppelt
im Wesentlichen die Frequenz bei geringeren Motorlasten, was einen
aggressiveren Einsatz der Zylinderabschaltung über den Fahrzyklus erlaubt.
Dank der höheren
Frequenz können
der Antriebsstrangtorsionsdämpfer
und die Motorlager die Übertragung
von Schwingungen wirksamer reduzieren. Somit wird eine Speicherung
und Freisetzung von Energie in die nichtzündenden Zylinder optimal getaktet,
um die auf den Antriebsstrang und die Fahrzeugstruktur übertragenen
Torsionsschwingungen zu reduzieren.
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6 zeigt
Zylinderinnendruck/Volumen-Diagramme für die abgeschalteten Zylinder
sowohl bei voller Ventilabschaltung als auch bei teilweiser Ventilabschaltung.
Die hier dargestellten Simulationen gelten für einen vollkommen ungedrosselten
Betrieb, wo der Ansaugkrümmerdruck
im Wesentlichen Atmosphärendruck
ist. Der mittlere wirksame Nettodruck (bzw. die über den Motortakt geleistete
durch Verdrängung
normalisierte Gasarbeit) ist ein parasitärer Verlust, der den Kraftstoffverbrauch
erhöhen
kann, und wird durch den in dem Diagramm eingeschlossenen Bereich
dargestellt. Während
der Abschaltzyklus bei geöffneten
Ventilen einen höheren
Verlust hat, sind die Verluste im Vergleich zu den sonstigen parasitären Verlusten
niedrig, und die Zylinderabschaltung stellt in beiden Fällen einen
großen
Vorteil hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs dar. Wenn der Bereich
des Betriebs mit Zylinderabschaltung infolge der verbesserten Drehmomentcharakteristik
der Abschaltung der geöffneten
Ventile ausgedehnt wird, können
die zusätzlichen
Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs die erhöhten Gasarbeitsverluste mehr
als kompensieren. Bei einer vollständig flexiblen Ventilsteuerung
(z.B. elektromagnetische Ventilbetätigung) könnte die Motorsteuerstrategie
tatsächlich
zwischen einer vollen Ventilabschaltung bei höheren Motordrehzahlen (wo die
Probleme bezüglich Torsionsschwingungen
weniger schwerwiegend sind) und einer Abschaltung der geöffneten
Ventile bei niedrigeren Drehzahlen (wo Strömungsverluste weniger offensichtlich
sind) umgeschaltet werden.
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7 zeigt
die Drehmomentsignatur, wo die Nettomotorlast nun auf einen mittleren
Arbeitsdruck (MAD) von 0,7 bar reduziert ist. Hier gibt es ähnliche Trends,
wenn mit einer vollen Ventilabschaltung gearbeitet wird, und das
Ergebnis ist ein Drehmomentausgang mit größerer Amplitude und niedrigerer
Frequenz. Wenn die in 6 dargestellten Ventileinstellungen
(Öffnen
und Schließen
der Einlassven tile erfolgen im unteren Totpunkt) für die abgeschalteten Zylinder
verwendet werden, überschreiten
die Motordrehmomentspitzen tatsächlich
die Zünddrehmomentspitzen.
Wenn man den Ventilöffnungs-
und -schließzeitpunkt
so einstellt, dass das Ventil entweder vor oder nach UT schließt und vor
UT öffnet,
kann das Drehmoment optimiert werden, um ein gleichmäßigeres
Ergebnis zu produzieren. Dies ist in 8 dargestellt,
die eine gleichmäßigere Amplitude
für die optimierten
Ventilöffnungs-
und -schließzeiten
veranschaulicht. Die Druck/Volumen-Diagramme für diesen Fall sind in 9 für den Fall
des späten
Schließens
des Ventils dargestellt.
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In 10 ist
ein Beispiel für
einige der anderen Betriebsbereiche des Motors in Abhängigkeit
von Motordrehzahl und -last schematisch dargestellt. Es werden alle
Zylinder gezündet,
um den Motor normal zu betreiben, wenn der erforderliche Drehmomentausgang
den mit Zylinderabschaltung erreichbaren Drehmomentausgang überschreitet.
Wenn die Last unter Abschaltung der Hälfte der Zylinder erreichbar ist
und die Drehzahl über
dem schwingungsbeschränkten
Wert von RPMNVH liegt, kann mit Zylinderabschaltung
unter Abschaltung aller Ventile gearbeitet werden. Wenn die Motordrehzahl
unter RPMNVH fällt, wird mit der oben beschriebenen
Abschaltung der geöffneten
Ventile gearbeitet, um NVH (Geräusche,
Schwingungen und Ruppigkeit) zu verbessern und die Zylinderabschaltung
in Bereichen mit niedrigerer Drehzahl und geringerer Last zu erreichen.
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11 zeigt
an einem mit 1250 U/min und einem mittleren Arbeitsdruck (MAD) von
1,0 bar arbeitenden 8-Zylinder-Motor mit elektromagnetischer Ventilbetätigung gemessene
Drehmomentdaten, wo die Abschaltung bei geöffneten Ventilen mit der Zylinderabschaltung
bei geschlossenen Ventilen verglichen wird. Das dargestellte Drehmoment
wird am Eingang des Dynamometers gemessen und liegt stromabwärts von
dem System aus Motorschwungrad und Ausgangswellendämpfer, so
dass es zu einer gewissen Filterung des Ausgangsdrehmoments der Kurbelwelle
kommt. Es sei angemerkt, dass die Amplitude des Drehmomentsignals
bei Verwendung der Abschaltung der geöffneten Ventile von etwa 30
N-m auf etwa 10 N-m wesentlich reduziert wird und der von dem voll
zündenden
Motor produzierten Amplitude ähnlich
ist.
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Anhand
von 12 zeigt nun eine Graphik, wie sich der Ventilöffnungs-
und -schließzeitpunkt
für abgeschaltete
Zylinder in Abhängigkeit
von der Motorlast verändert.
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Diese
Figur zeigt die Ventileinstellungen, mit denen die Drehmomentaufhebung
in Abhängigkeit von
der Motorlast für
einen mit 1250 U/min arbeitenden V8-Motor optimiert wurde. Mit zunehmender
Last nähern
sich die Ventilöffnungs-
und -schließzeiten dem
unteren Totpunkt. Damit erhöht
sich das Kompressionsdrehmoment für die nichtzündenden
Zylinder, um das höhere
Drehmoment der zündenden
Zylinder besser aufzuheben. Das Expansionsdrehmoment erhöht sich
dadurch ebenfalls, um das Drehmomentsignal zwischen den Zündereignissen
abzusetzen.
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Damit
endet die Beschreibung der Erfindung. Wenn der Fachmann dies liest,
werden ihm viele Änderungen
und Modifikationen in den Sinn kommen, ohne vom Geist und vom Umfang
der Erfindung abzuweichen. Demzufolge soll der Umfang der Erfindung
durch die nun folgenden Ansprüche
definiert werden.