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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von Brennkraftmaschinen, insbesondere ein Verfahren zur Optimierung der Schubabschaltphase.
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Aufgrund der gestiegenen Verantwortung der Kraftfahrzeughersteller im Hinblick auf die Vermeidung von Umweltverschmutzung, ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von Brennkraftmaschinen ein standiges Ziel. Zu diesem Zweck sind moderne Ottomotoren nach dem heutigen Stand der Technik mit einer so genannten Schubabschaltung ausgerustet. Diese Schubabschaltung beinhaltet, dass, sobald der Fahrer eines Kraftfahrzeugs seinen Fuß vom Gas nimmt, die Kraftstoffeinspritzung vom Motorsteuergerät abgeschaltet wird. Diese Abschaltung der Kraftstoffzufuhr erfolgt solange, bis ein bestimmter Drehzahlschwellenwert unterschritten wird. Dieser Drehzahlschwellenwert dient dazu, dass der Motor nicht aufgrund von Kraftstoffmangel abstirbt. Nach Unterschreiten des Drehzahlschwellenwerts wird die Kraftstoffeinspritzung durch das Motorsteuergerät wieder aktiviert. Bei dieser Aktivierung ist es erforderlich, dass ein möglichst „weicher” Drehzahlübergang in den Leerlauf der Brennkraftmaschine realisiert wird.
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Um den obigen Ablauf zu gewährleisten, stehen verschiedene Stellorgane zur Verfügung. Diese Stellorgane steuern beispielsweise die Zündung und die Einspritzung der Brennkraftmaschine. Eine wichtige Rolle spielen ebenfalls die im Luftpfad- bzw. in der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine angeordneten Komponenten. Diese Komponenten umfassen beispielsweise die Drosselklappe, den Leerlauffullungssteller, die Drallklappe und die Nockenwellensteller. Diese regeln die Luftzufuhr bzw. die Luft-Zylinderfüllung der Brennkraftmaschine, wodurch unter Einhaltung stochiometrischer Verhaltnisse die einzuspritzende Kraftstoffmenge beim Übergang in den Leerlaufzustand bestimmt wird. Auf diese Weise wird ein bestimmter Drehmomentenverlauf erzeugt, der fur die Qualitat des Ubergangs von der Schubabschaltphase in den Leerlauf bestimmend ist.
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Ist bei diesem Ubergang das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine zu hoch, spurt der Fahrer durch die Beschleunigung wahrend des Übergangs einen deutlichen Ruck im Kraftfahrzeug. Ist das Drehmoment zu niedrig, sinkt die Motordrehzahl zu tief ab. Bei diesem Vorgang besteht die Gefahr, dass der Motor abstirbt.
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Im Hinblick auf die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, die Schubabschaltphase solange wie möglich auszudehnen. Dazu versucht man, den Motor bei einer Drehzahl uber der Leerlaufdrehzahl zu halten, da in diesem Zustand kein Kraftstoff verbraucht wird.
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Eine Verlängerung der Schubabschaltphase kann durch eine Reduzierung der Verlustmomente erreicht werden. Derartige Verlustmomente sind beispielsweise die Drosselverluste an einer geschlossenen Drosselklappe. Es bietet sich daher an, die Drosselklappe beim Drehzahlabfall möglichst lange weit offen zu halten. Als Nachteil zeigt sich jedoch in der Praxis, dass beim Ubergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf die Drosselklappe nicht schnell genug geschlossen werden kann. Aufgrund des zu hohen Luftmassenstroms in den Zylinder der Brennkraftmaschine wird unter Beibehaltung stöchiometrischer Verhältnisse die entsprechende Kraftstoffmenge eingespritzt und daher ein sehr hohes Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment kann auch durch einen Zundwinkelrückzug nicht ausreichend abgebaut werden. Daraus folgt fur die Insassen des Kraftfahrzeugs ein deutlich spürbares und unkomfortables Ruckeln des Kraftfahrzeugs bzw. eine sprunghafte Drehmomentenzufuhr durch den Motor. Obwohl sich Drosselklappen moderner Bauart schnell verstellen lassen, befindet sich immer noch eine zu große Luftmenge im Saugrohr der Brennkraftmaschine. Diese strömt in den Zylinder ein und trägt zum Drehmomentensprung bei.
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In der Praxis bedeutet dies, dass parallel zum Drehzahlabfall die Drosselklappe zugefahren werden muss und zum Zeitpunkt des Wiedereinsetzens bereits nahezu geschlossen ist. Aufgrund der Drosselung erfolgt der Drehzahlabfall dadurch sehr schnell, die Schubabschaltphase fällt entsprechend kurz aus und es muss sehr früh wieder Kraftstoff eingespritzt werden. Ähnlich verhält es sich bei anderen Ladungswechselorganen, wie beispielsweise Leerlaufsteller oder Drallklappe.
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Die Druckschrift
US 5 377 631 A zeigt eine Brennkraftmaschine, bei der einzelne Zylinder zeitweise deaktiviert werden können, um über einen weiten Lastbereich einen möglichst ungedrosselten Betrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Hierbei werden die Zylinder wechselseitig deaktiviert, um ein starkes Abkühlen eines einzelnen Zylinders zu verhindern.
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Die Druckschrift
DE 199 52 037 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Ventilsteuerung. Während einer Schubabschaltphase wird eine Kraftstoffeinspritzung abgeschaltet und die Ventile derart angesteuert, dass eine Ladung eines Motorzylinders während der Schubabschaltphase zurückgehalten wird, so dass ein Katalysator weder gekühlt noch mit Sauerstoff gesättigt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Das obige Problem wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Dieses Verfahren stützt sich auf die Nutzung schneller Ladungswechselorgane in der Brennkraftmaschine, wodurch eine Kraftstoffersparnis bei gleichzeitiger Beibehaltung des Fahrkomforts erzielt wird.
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Das obige Verfahren gewährleistet eine Optimierung einer Schubabschaltphase einer Brennkraftmaschine. Es umfasst die folgenden Schritte: Erkennen einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine, Reduzieren von Verlustmomenten der Brennkraftmaschine in der Schubabschaltphase durch Öffnen von mindestens einem Drosselorgan in einer Luftzufuhr der Brennkraftmaschine, Verstellen einer Einlassnockenwelle der Brennkraftmaschine nach spät, so dass durch eine Zylinder-Luftfüllung der Brennkraftmaschine ein Übergangsdrehmoment für einen Übergang in einen Leerlauf, einen Teillast- oder einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgegeben wird, und Einspritzen einer Kraftstoffmenge, wenn das Übergangsdrehmoment annähernd einem Leerlauf-, einem Teillast- oder einem Volllastdrehmoment entspricht, so dass ein weicher Übergang zwischen der Schubabschaltphase und dem Leerlauf, dem Teillast- oder dem Volllastbetrieb gewahrleistet ist.
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Durch die oben genannten Verfahrensschritte werden zunachst in einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine die Verlustmomente an den Drosselorganen der Brennkraftmaschine reduziert. Dies erfolgt durch Offnen von mindestens einem Drosselorgan, beispielsweise der Drosselklappe und/oder der Drallklappe der Brennkraftmaschine. Gleichzeitig erfolgt die Steuerung der dem Zylinder zugefuhrten Luftmasse uber das Verstellen der Einlassnockenwelle anstatt uber das Verstellen der Drosselklappe. Auf diese weise wird uber eine geeignete Zylinder-Luftfüllung und die Anwendung stöchiometrischer Verhaltnisse bei der Kraftstoffeinspritzung ein Ubergangsdrehmoment vorgegeben.
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Um die Schubabschaltphase so lange wie moglich auszudehnen, erfolgt das Verstellen der Einlassnockenwelle unmittelbar vor Erreichen einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine. Dies verhindert unnötige Verlustmomente und tragt zur weiteren Kraftstoffreduktion bei. Der Zeitpunkt des Verstellens der Einlassnockenwelle wird bevorzugt durch das Erreichen eines vorgegebenen Drehzahlschwellenwerts festgelegt.
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Als weiteren Schritt umfasst das vorliegende Verfahren bevorzugt ein Nachführen des mindestens einen geoffneten Drosselorgans in eine entsprechende Betriebsposition des Leerlaufs, des Teillast oder des Volllastbetriebs, nachdem die Schubabschaltphase beendet worden ist. Auf diese Weise wird schnellstmoglich zu konventionellen Steuerungsverfahren im Leerlauf, Teillast- oder Volllastbetrieb zurückgekehrt, nachdem die Schubabschaltphase verlassen worden ist.
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Es ist des Weiteren bevorzugt, die Einlassnockenwelle von spat in eine entsprechende Betriebsposition fur Leerlauf, Teillast- oder Volllastbetrieb zuruckzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch eine Brennkraftmaschine realisiert, die zumindest an ihrer Einlassseite einen schnellen Ladungswechselphasensteller aufweist. Elektrische Nockenwellenphasensteller, wie sie seit einiger Zeit in der Automobilindustrie Anwendung finden, sind aufgrund ihrer hohen Verstellgeschwindigkeit besonders geeignet. Diese Nockenwellenphasensteller arbeiten mit dem Ziel, dass relatives Verdrehen der Nockenwelle im Verhaltnis zur Kurbelwelle die in den Zylinder einstromende Frischgasmenge schnell und signifikant beeinflusst. Bevorzugt findet das obige Verfahren Anwendung bei der Strategie des Nockenwellenphasenstellers mit der bekannten Bezeichnung „spätes Einlass schließen”. Das Einlassventil der Brennkraftmaschine wird in diesem Fall erst deutlich nach dem unteren Totpunkt (UT) geschlossen. Dadurch wird ein Teil der angesaugten Frischluft wieder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zurückgeschoben.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird gemaß dem in der Figur dargestellten Flussdiagramm erlautert. Zunachst prüft die Motorsteuerung, die bevorzugt das vorliegende Verfahren steuert, ob sich die Brennkraftmaschine in einer Schubabschaltphase befindet bzw. ob die Schubabschaltung aktiv ist. Die Schubabschaltung wird aktiviert, sobald der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt. In ihrem Verlauf wird kein Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt. Ist die Schubabschaltung der Brennkraftmaschine nicht aktiv, bleibt das vorliegende Verfahren solange in diesem Abfrageschritt, bis das Einsetzen der Schubabschaltphase erkannt wird.
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Wird eine Schubabschaltung erkannt, d. h. der Fahrer nimmt seinen Fuß vom Gas, bleiben alle drosselnden Komponenten, z. B. Drosselklappe, Drallklappe, etc., einer Luftzufuhr der Brennkraftmaschine zumindest teilweise geoffnet. Es ist weiterhin bevorzugt, die drosselnden Komponenten der Brennkraftmaschine vollstandig zu offnen. Durch dieses Offnen verringern sich die Verlustmomente der Brennkraftmaschine, so dass die Brennkraftmaschine bzw. der Motor nur geringfugig abgebremst wird.
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Die Figur beschreibt eine Ausfuhrungsform des vorliegenden Verfahrens, bei dem aus der Schubabschaltphase der Ubergang in den Leerlauf der Brennkraftmaschine erfolgt. Wie oben bereits beschrieben, werden die drosselnden Komponenten der Brennkraftmaschine geoffnet, um Verlustmomente zu reduzieren und dadurch die Schubabschaltphase so lange wie moglich auszudehnen. Da die Schubabschaltphase ohne Kraftstoffzufuhr arbeitet, erfolgt automatisch über die Verlängerung der Schubabschaltphase eine Kraftstoffeinsparung.
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Um den Drehzahl abhängigen Übergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst und überwacht. Während der Überwachung der Drehzahl und somit des Verlaufs des Drehzahlabfalls wird gleichzeitig erfasst, ob eine erneute Fahrerlastanforderung stattfindet. Eine Fahrerlastanforderung erkennt man beispielsweise an einer Auslenkung des Gaspedals, mit der der Fahrer einen Ubergang der Brennkraftmaschine in den Teillast- oder Volllastbetrieb anfordert. Erfolgt eine derartige Fahrlastanforderung, geht die Motorsteuerung zu konventionellen Steuermethoden in Abhangigkeit von dem angeforderten Lastbetrieb der Brennkraftmaschine über. Das bedeutet, dass zunachst beim Ubergang die schnellen Nockenwellensteller eine entsprechende Luftmenge im Zylinder der Brennkraftmaschine einstellen, so dass bei Einhaltung stochiometrischer Verhaltnisse zwischen Kraftstoffmenge und Luftmenge im Zylinder ein ruckfreier Übergang zwischen Schubabschaltphase und Lastbetrieb erfolgt. Dies folgt in Analogie zum Übergang zwischen Schubabschaltphase und Leerlauf, wie es unten näher erläutert ist. Es wird lediglich das neu einzustellende Drehmoment im Lastbetrieb der Brennkraftmaschine durch die zugefuhrte Luftmenge eingestellt, bevor zum konventionellen Betrieb der Brennkraftmaschine ubergegangen wird. Die technische Grundlage bilden auch hier die schnellen Nockenwellensteller, die anstelle oder in Ergänzung zu den Drosselorganen die Luftmenge im Zylinder steuern.
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Um den Ubergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ohne dass die Brennkraftmaschine wegen zu langer Ausdehnung der Schubabschaltphase abstirbt, wird ein Drehzahlschwellenwert definiert. Erfasst das vorliegende Verfahren ein Unterschreiten dieses Drehzahlschwellenwerts, wird der Ubergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf gestartet. Stellt das vorliegende Verfahren bei Uberwachung der Drehzahl fest, dass der Drehzahlschwellenwert noch nicht unterschritten ist, wird die Drehzahl bzw. der Drehzahlabfall der Brennkraftmaschine weiter beobachtet.
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Der obige Drehzahlschwellenwert ist bevorzugt derart gewahlt, dass er eine Drehzahl kurz vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl vorgibt. Somit erfolgt beim Übergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf, d. h. bei Erreichen des Drehzahlschwellenwerts und unmittelbar vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl, ein Verstellen der Einlassnockenwelle nach spät. Die Einlassnockenwelle wird mit Hilfe der schnellen elektrischen Nockenwellenphasensteller soweit nach spät verstellt, dass die im Zylinder verbleibende Luftmenge gerade so groß ist, dass durch das aufgebaute Drehmoment der Brennkraftmaschine ein weicher Ubergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf erfolgt. Zu diesem Zweck wird die Kraftstoffeinspritzung erst dann wieder aktiviert, wenn fur die Luftfüllung genau der Wert eingestellt worden ist, der zur Darstellung des geforderten Ubergangsdrehmoments erforderlich ist. Nachdem die Zündung und die Kraftstoffeinspritzung aktiviert worden sind, erfolgt der Übergang von der Schubabschaltphase in den Leerlauf. Anschließend werden die in der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine vorhandenen drosselnden Komponenten, wie beispielsweise Drosselklappe, Drallklappe, etc., nachgefuhrt bzw. in ihre konventionelle Position zum Leerlaufbetrieb zuruckgeführt. Parallel dazu wird die Nockenwelle nach fruh zuruckgestellt und die Leerlaufdrehzahlregelung erfolgt konventionell über Zundwinkel und Drosselklappenposition.
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Erfolgt eine Lastanforderung von Seiten des Fahrers noch vor Unterschreiten des Drehzahlschwellenwerts, so werden die am laufenden Prozess beteiligten Komponenten in gleicher Weise wie beim Ubergang in den Leerlauf derart angesteuert, dass ein weicher und ruckelfreier Ubergang in den Teillast- oder Volllastbetrieb erfolgt.
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Der wesentliche Vorteil des vorliegenden Verfahrens liegt darin, dass nach dem Gaswegnehmen die anschließende Schubabschaltphase verlängert wird. Auf diese Weise wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert. Zudem werden durch das kontrollierte Wiedereinsetzen mit Hilfe der Einlassphasenverstellung Komforteinbußen für den Fahrer vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Brennkraftmaschinen, die bereits mit schnellen Phasenstellern ausgestattet sind, keine zusatzlichen Komponenten zur Ausführung des obigen Verfahrens installiert werden müssen. Dies begrenzt den Kostenaufwand fur das obige Verfahren.
