DE102005001962A1 - Boost-Betrieb bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren eingeleitet wird, wenn ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, wobei vor der Leistungserhöhung der thermische Zustand des Verbrennungsmotors und/oder eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Luft-/Abgassystems näherungsweise ermittelt wird und ein geplanter Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Verfahren zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors sind bekannt. Bei Anwendung des Verfahrens stellt der Verbrennungsmotor eine zusätzliche Leistung und/oder ein zusätzliches Drehmoment gegenüber einem Normalbetrieb (Dauerbetrieb) bereit. Das Verfahren wird eingeleitet, wenn ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, beispielsweise das Durchtreten des Gaspedals oder die Durchführung eines Kick-Downs. Zwar liegt dann regelmäßig auch eine größere Belastung des Motors gegenüber dem Normalbetrieb vor, doch sind deren Auswirkungen aufgrund der zeitlichen Beschränktheit dieses Sonderbetriebs oftmals vernachlässigbar. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise die zeitweise Ladedruckerhöhung eines turbogeladenen Motors oder die Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Volllastbetrieb zu nennen. Wenngleich sich die bekannten Verfahren zum Zwecke der Leistungserhöhung bewährt haben, verbleibt der Wunsch, größere Leistungserhöhungen zu ermöglichen ohne dabei eine Schädigung des Verbrennungsmotors oder eine Reduzierung der Lebensdauer des Verbrennungsmotors in Kauf zu nehmen.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors aufzuzeigen, welches eine größere Leistungserhöhung ermöglicht und dabei dennoch die Belastung des Motors vertretbar gering hält.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, dass der thermische Zustand des Verbrennungsmotors und/oder eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Luft-/Abgassystems zumindest näherungsweise ermittelt wird und ein geplanter Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmt wird. Unter dem Begriff des thermischen Zustands soll dabei verstanden werden, welche Temperaturen der Verbrennungsmotor und/oder sein Luft-/Abgassystem gegebenenfalls jeweils einschließlich der zuströmenden und/oder ausströmenden Betriebsstoffe bezie hungsweise Abgase, nachfolgend als Gesamtsystem bezeichnet, aufweisen. Der thermische Zustand muss dabei nicht exakt ermittelt werden. Vielmehr ist es oftmals ausreichend eine allgemein gehaltene Aussage treffen zu können, in welchem Zustand sich das Gesamtsystem befindet, beispielsweise „kalt", „warm" oder „heiß". Maßgeblich ist die Betrachtung des Gesamtsystems hinsichtlich eines maximal erlaubten thermischen Zustands. Oberhalb dieses Zustands ist mit Schädigungen oder Vorschädigungen des Verbrennungsmotors und/oder seines Luft-/Abgassystems zu rechnen, so dass eine Überschreitung des maximal erlaubten thermischen Zustands dringend zu vermeiden ist. Wird der thermische Zustand als „kalt" ermittelt, so wird dadurch zum Ausdruck gebracht, dass das Gesamtsystem noch eine große Wärmemenge aufnehmen kann, bevor der maximal erlaubte thermische Zustand erreicht wird. Eine Bezeichnung des thermischen Zustands als „heiß" bedeutet hingegen, dass das Gesamtsystem lediglich eine geringe Wärmemenge aufnehmen kann, bevor der maximal erlaubte thermische Zustand erreicht wird. Wie nachstehend näher erläutert wird, ist der thermische Zustand ein wesentlicher Aspekt der Erfindung. Es wurde nämlich erkannt, dass sich die thermodynamische Trägheit des Gesamtsystems, insbesondere des Luftsystems nutzen lässt, um eine verbesserte Leistungserhöhung zu realisieren. Ausgehend von einem thermischen Zustand des Gesamtsystems, der eine Aufnahme einer zusätzlichen Wärmemenge erlaubt, wird bei einer entsprechenden Anforderung ein so genannter Boost-Betrieb aktiviert. Der Boost-Betrieb ist dabei durch eine Betriebsart gekennzeichnet, in der der Motor eine zusätzliche Leistung abgeben kann, verglichen mit dem Normalbetrieb. Dies kann insbesondere durch eine Erhöhung der Einspritzmenge, gegebenenfalls aber auch durch eine Erhöhung des Ladedrucks oder andere Eingriffe in den Motorbetrieb erfolgen. Der Boost-Betrieb setzt dabei eine zusätzliche Wärmeleistung frei, die zu Schäden innerhalb des Gesamtsystems führen könnte, würde der Boost-Betrieb einen dauerhaften Betriebszustand darstellen. Die zusätzliche Wärmeenergie wird zum größten Teil vom Gesamtsystem aufgenommen und erwärmt es. Dies bedeutet, dass die durch den Boost-Betrieb bereit gestellte zusätzliche Leistung unmittelbar zur Verfügung steht und die zusätzliche Wärmeenergie das Gesamtsystem nach und nach erwärmt. Da der thermische Zustand bei der Bestimmung der möglichen Leistungserhöhung berücksichtigt wird, kann eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Leistungserhöhung realisiert werden, ohne die Integrität des Gesamtsystems zu gefährden: Ist der aktuelle thermische Zustand weit vom maximal zulässigen thermischen Zustand entfernt, so kann eine große Leistungserhöhung bereit gestellt werden. Vorgegebene Grenzwerte werden dabei nicht verletzt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit bekannten Verfahren zur Leistungserhöhung kombiniert werden, so dass diese eine verbesserte Effektivität zeigen.
  • Aufgrund der Kenntnis beziehungsweise der Abschätzung des thermischen Zustands kann ein zeitlicher Verlauf der Leistungserhöhung vorgegeben werden. Dabei kann es sich sowohl um einen einfachen Verlauf, beispielsweise eine konstante Einstellung zur Leistungserhöhung über einen bestimmten Zeitraum, aber auch um einen komplexen Verlauf mit sich ändernden Einstellungen über der Zeit handeln. Alternativ zu einem vorbestimmten Verlauf kann auch ein Beenden der Leistungserhöhung mit einer Annäherung oder einem Erreichen des maximal zulässigen thermischen Zustands (oder anderen Abbruchkriterien) einhergehen. Zudem kann vorgesehen sein dass die Leistungserhöhung nur durchgeführt wird, wenn bestimmte Grenzwerte, insbesondere eine maximale Geschwindigkeit und/oder eine maximale Beschleunigung, eingehalten werden. Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der thermischen Trägheit des Gesamtsystems ermöglicht gegenüber den „starren" Konzepten des Stands der Technik eine verbesserte Ausschöpfung der Möglichkeiten einer Leistungserhöhung.
  • Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung des thermischen Zustands mindestens ein Wert aus der Gruppe Außenlufttemperatur, Motortemperatur, Abgastemperatur, Kraftstofftemperatur und Kühlwassertemperatur berücksichtigt. Insbesondere bei geeigneter Auswahl und Auswertung von mehreren der genannten Werte lässt sich eine gute Aussage zum thermischen Zustand des Gesamtsystems treffen und so eine angepasste Leistungserhöhung durchführen.
  • Mit Vorteil wertet die Motorschutzvorrichtung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Lader mindestens einen Wert aus der Gruppe Laderdrehzahl, Lufttemperatur nach einem Ladeluftkühler, Lufttemperatur am Eingang einer Turbine des Laders und Ladedruck des Laders aus. So kann die Leistungserhöhung beispielsweise freigegeben werden, wenn die Lufttemperatur am Eingang der Turbine und die Lufttemperatur nach dem Ladeluftkühler jeweils einen bestimmten Wert unterschreiten und dann ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, insbesondere ein maximales Signal des Pedalwertgebers des Gaspedals. Auch hierdurch werden Schäden beziehungsweise Vorschädigungen am Gesamtsystem, insbesondere am (Turbo-)Lader vermieden.
  • Es ist vorteilhaft, wenn der Verlauf der Leistungserhöhung von einer Motorschutzvorrichtung überwacht wird und die Leistungserhöhung reduziert wird, wenn die Motorschutzvorrichtung eine Überschreitung mindestens eines Grenzwerts ermittelt. Die Überschreitung eines Grenzwerts zeigt an, dass unter Beibehaltung der eingestellten Leistungserhöhung ein Schaden, insbesondere am Motor oder am Getriebe, auftreten könnte. Durch eine Reduzierung der Leistungserhöhung wird dies vermieden. Dabei kann die Reduzierung auch ein vollständiges Abschalten der Leistungserhöhung bedeuteten.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wertet die Motorschutzvorrichtung mindestens einen Wert aus der Gruppe Drehmoment, Drehzahl und Motortemperatur aus. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass Vorgaben für ein maximales Drehmoment, eine maximale Drehzahl und/oder eine maximale Motortemperatur nicht überschritten werden. Dadurch werden Schäden beziehungsweise Vorschädigungen am Gesamtsystem vermieden.
  • Vorteilhafterweise wird ein maximaler Wert der Leistungserhöhung stetig oder stufenweise erreicht und/oder erfolgt die Rückkehr von einem maximalen Wert der Leistungserhöhung in einen Normalzustand stetig oder stufenweise. Dadurch wird verhindert, dass die Leistungserhöhung gewissermaßen schlagartig einsetzt beziehungsweise aufhört. (Unter dem Begriff Normalzustand ist dabei der Zustand zu verstehen, der bei nicht aktiviertem Boost-Betrieb vorliegt, also gewissermaßen der für den Dauerbetrieb vorgesehene Zustand.) Vielmehr setzt die Leistungserhöhung damit nach und nach ein, beziehungsweise ebbt nach und nach ab, was für das Gesamtsystem, insbesondere den Motor und das nachgeschaltete Getriebe, vorteilhaft ist. Außerdem stellt sich für die Fahrzeuginsassen das Verhalten des Kraftfahrzeugs beim Einsetzen beziehungsweise Abschalten der Leistungserhöhung angenehmer dar.
  • Bevorzugt wird bei Aktivierung der Leistungserhöhung der Verbrennungsmotor anhand eines zweiten Kennfelds betrieben, welches sich von einem ersten, den Normalbetrieb beschreibenden Kennfeld unterscheidet. Damit lassen sich die Motorcharakteristik und die dem Motor zugeordneten Regelparameter im Normalbetrieb und im Boost-Betrieb auf einfache Weise spezifizieren und von einander trennen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die geplante Leistungserhöhung unter bestimmten Betriebsbedingungen lediglich in verringertem Maße oder gar nicht durchgeführt. Neben den genannten Betriebsbedingungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung) können auch Temperaturen oder Fehlerzustände, beispielsweise ein Sensorausfall, Einfluss auf die Durchführung der geplanten Leistungserhöhung nehmen. Dadurch wird eine zusätzliche Sicherheit dahingehend erzielt, dass der Einsatz der Leistungserhöhung keine unerwünschten Reaktionen oder gar Schäden hervorruft.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung aktiviert wird, wenn ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, aufweisend eine den thermischen Zustand des Verbrennungsmotors und/oder eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Luft-/Abgassystems ermittelnde und einen geplanten Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmende Verarbeitungsvorrichtung.
    •
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die
  • Figur ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors.
  • Die Figur zeigt symbolisch die Funktionsweise einer Vorrichtung 1 zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors 12. Die Vorrichtung 1 weist eine Verarbeitungsvorrichtung 2 auf, die den thermischen Zustand des Verbrennungsmotors 12 und/oder eines dem Verbrennungsmotor 12 zugeordneten Luft-/Abgassystems ermittelt und einen geplanten Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmt. Dabei ist die Verarbeitungsvorrichtung 2 hier zum besseren Verständnis in zwei Teilen dargestellt, nämlich einer Erfassungseinrichtung 3 und einer Logikeinrichtung 4, zwischen denen Signale ausgetauscht werden. Ferner sind vier Kennfelder gespeichert, nämlich ein Boost-Kennfeld 5, ein Motor-Kennfeld 6, ein Pedalwert-Kennfeld 7 und ein Kinetik-Kennfeld 8. Im Boost-Kennfeld 5 sind in Abhängigkeit von einem Luftdruck der Umgebungsluft und einer Motordrehzahl jeweils Daten für den Boost-Betrieb hinterlegt, während im Motor-Kennfeld 6 Werte für den normalen Betrieb, also ohne Boost-Aktivierung, gespeichert sind. Das Pedalwert-Kennfeld 7 beinhaltet Informationen hinsichtlich eines gemittelten Werts vom Fahrpedal (Gaspedal) und der Abhängigkeit von einer Lufttemperatur vor dem Ladeluftkühler eines Turboladers. Schließlich sind im Kinetik-Kennfeld 8 Daten hinterlegt, die eine Abhängigkeit der Stärke der Boost-Funktion von einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung des Fahrzeugs repräsentieren. So kann beispielsweise vorgegeben werden, dass die Boost-Funktion nur innerhalb eines bestimmten Geschwindigkeitsbereichs aktiviert wird oder dass die Boost-Funktion deaktiviert wird, wenn sich trotz Durchtreten des Gaspedals keine Mindestbeschleunigung des Fahrzeugs enstellt. Um schließlich ein Boost-Signal B zu erhalten, welches für die Durchführung des Boost-Betriebs erforderlich ist, weist die Vorrichtung – symbolisiert – einen Subtraktions-Operator 9, einen Multiplikations-Operator 10 und einen Additions-Operator 11 auf.
  • Das Verfahren, welches mittels der Vorrichtung 1 durchgeführt wird, ist hier wie folgt realisiert. Die Erfassungseinrichtung 3 erfasst verschiedene Daten, die insbesondere hinsichtlich des thermischen Zustands des Gesamtsystems, der Betriebssituation des Kraftfahrzeugs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 12 relevant sind. Es werden dann folgende Signale oder Parameter an die Logikeinrichtung 4 übermittelt: S1 signalisiert einen Motorfehler, S2 gibt einen Pausenzustand an, wenn seit dem letzten Boost-Betrieb einen bestimmte Mindestzeitdauer noch nicht vergangen ist, S3 ermöglicht ein zentrales Abschalten der Boost-Funktion, S4 gibt eine maximale Zeitdauer für den Boost-Betrieb (beispielsweise 10 Sekunden) an, S5 liefert eine Steigungs-Information darüber, wie schnell der Übergang vom Normalbetrieb in den Boost-Betrieb erfolgen soll, S6 beschreibt die Steigung beim Übergang vom Boost-Betrieb in den Normalbetrieb und S7 trägt Temperaturdaten, darunter insbesondere die Lufttemperatur am Turbineneingang des Turboladers. Ferner greift die Logikeinrichtung 4 Daten S8 aus dem Kinetik-Kennfeld 8 und Daten S9 aus dem Pedalwert-Kennfeld 7 ab. Anhand einer Auswahl oder der Gesamtheit dieser Signale S1 bis S9 ermittelt die Logikeinrichtung 4 einen Boost-Faktor F, der an den Multiplikations-Operator 10 geleitet wird und dann wie folgt verarbeitet wird. Aus dem Boost-Kennfeld 5 und dem Motor-Kennfeld 6 werden die hinsichtlich der Betriebssituation des Kraftfahrzeugs und des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 12 relevanten Daten ausgelesen. Dabei stellt der Wert aus dem Boost-Kennfeld 5 den für den derzeitigen Betrieb maximalen Boost-Wert K1 (beispielsweise maximale Leistung, maximales Drehmoment) und der Wert aus dem Motor-Kennfeld 6 den für den derzeitigen Betrieb zu erwartenden Normalwert K2 dar. Mittels des Subtraktions-Operators 9 wird der Normalwert K2 vom Boost-Wert abgezogen K1, so dass sich ein (positiver) Differenzwert ΔK ergibt, der angibt, um welchen Wert der Boost-Wert K1 über dem Normalwert K2 liegt. Dieser Differenzwert ΔK wird im Multiplikations-Operator 10 mit dem Boost-Faktor F multipliziert, so dass sich ein Resultat R ergibt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Boost-Faktor F vorteilhafterweise im Wertebereich 0 ≤ F ≤ 1 gewählt wird. Damit ist sichergestellt, dass sich im nachfolgenden Additions-Operator 11 (R+K2) ein Wert für das Boost-Signal B ergibt, der mindestens dem Normalwert K2 entspricht und den Boost-Wert K1, bei dem es sich ja um den als maximal zulässig erachteten Wert handelt, nicht überschreitet. Das Boost-Signal B wird dann weiter verarbeitet, um den Verbrennungsmotor 12 in den gewünschten Betriebszustand zu überführen. Dies kann bei einer Aktivierung der Boost-Funktion beispielsweise eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemischs sein.
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Verarbeitungsvorrichtung
    3
    Erfassungseinrichtung
    4
    Logikeinrichtung
    5
    Boost-Kennfeld
    6
    Motor-Kennfeld
    7
    Pedalwert-Kennfeld
    8
    Kinetik-Kennfeld
    9
    Subtraktions-Operator
    10
    Multiplikations-Operator
    11
    Additions-Operator
    12
    Verbrennungsmotor

Claims (9)

  1. Verfahren zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren eingeleitet wird, wenn ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Zustand des Verbrennungsmotors und/oder eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Luft-/Abgassystems zumindest näherungsweise ermittelt wird und ein geplanter Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des thermischen Zustands mindestens ein Wert aus der Gruppe Außenlufttemperatur, Motortemperatur, Abgastemperatur, Kraftstofftemperatur und Kühlwassertemperatur berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorschutzvorrichtung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Lader mindestens einen Wert aus der Gruppe Laderdrehzahl, Lufttemperatur nach einem Ladeluftkühler, Lufttemperatur am Eingang einer Turbine des Laders und Ladedruck des Laders auswertet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Leistungserhöhung von einer Motorschutzvorrichtung überwacht wird und die Leistungserhöhung reduziert wird, wenn die Motorschutzvorrichtung eine Überschreitung mindestens eines Grenzwerts ermittelt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorschutzvorrichtung mindestens einen Wert aus der Gruppe Drehmoment, Drehzahl und Motortemperatur auswertet.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Wert der Leistungserhöhung stetig oder stufenweise erreicht wird und/oder dass die Rückkehr von einem maximalen Wert der Leistungserhöhung in einen Normalzustand stetig oder stufenweise erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Aktivierung der Leistungserhöhung der Verbrennungsmotor anhand eines zweiten Kennfelds betrieben wird, welches sich von einem ersten, den Normalbetrieb beschreibenden Kennfeld unterscheidet.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geplante Leistungserhöhung unter bestimmten Betriebsbedingungen lediglich in verringertem Maße oder gar nicht durchgeführt wird.
  9. Vorrichtung (1) zur zeitlich begrenzten Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung (1) aktiviert wird, wenn ein die Anforderung einer gesteigerten Leistungsanforderung anzeigender Betriebszustand eintritt, gekennzeichnet durch eine den thermischen Zustand des Verbrennungsmotors (12) und/oder eines dem Verbrennungsmotor (12) zugeordneten Luft-/Abgassystems ermittelnde und einen geplanten Verlauf der Leistungserhöhung hinsichtlich ihrer Stärke und/oder Dauer in Abhängigkeit von dem ermittelten thermischen Zustand bestimmende Verarbeitungsvorrichtung (2).
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