DE102006023469B4 - Steuerungsverfahren einer Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Steuerungsverfahren einer Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine mit Turbolader, insbesondere eines Dieselmotors, in einem Kraftfahrzeug, das die folgenden Schritte aufweist:
a. Übermitteln von Streckendaten einer durch das Kraftfahrzeug zurückzulegenden Strecke an ein Motorsteuergerät,
b. Erkennen von zumindest einem zukünftigen Leistungssteigerungspunkt der Brennkraftmaschine anhand der Streckendaten, an dem eine Anforderung einer gesteigerten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu erwarten ist, und
c. Vorbereiten der gesteigerten Leistungsabgabe, so dass die Brennkraftmaschine kurzfristig in einen Zustand gesteigerter Leistungsabgabe versetzbar ist, durch Einspritzen und Zünden einer drehmomentneutralen Nacheinspritzung, so dass eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine erhöht und ein Turbolader der Brennkraftmaschine vorgespannt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren einer Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Steuerungsverfahren für einen Dieselmotor mit Turbolader.
• In modernen Brennkraftmaschinen wird die erzeugte Leistung im Wesentlichen durch die eingespritzte Kraftstoffmenge, den anliegenden Kraftstoffdruck sowie durch Menge und Druck der zugeführten Luft bestimmt. Im Vergleich zur Regelung des Kraftstoffdrucks treten bei der Regelung der Luftzufuhr physikalisch bedingt größere Verzögerungen auf. Dies betrifft beispielsweise die zugeführte Luftmenge und den Druck der zugeführten Luft. Da somit die Lieferung der angeforderten Luftmenge erst nach Verstreichen fahrzeugspezifischer Totzeiten erfolgt, wird dadurch das Beschleunigungsverhalten des Kraftfahrzeugs beeinträchtigt.
• Bei einem Kraftfahrzeug mit Turbolader liegt die Ursache für dieses Verhalten in der Funktionsweise des Turboladers. Der Turbolader ist in der Regel mechanisch an den Abgaskanal der Brennkraftmaschine gekoppelt. Daher hängt die Leistung des Turboladers, beispielsweise die Größe des erzeugten Ladeluftdrucks, direkt von den im Abgaskanal transportierten Abgasen ab. Werden beispielsweise nur Abgase geringer Menge und/oder geringer Abgastemperatur durch die Brennkraftmaschine erzeugt, was bei niedrigen Drehzahlen und geringer Motorlast der Brennkraftmaschine der Fall ist, ist der durch den Turbolader generierbare Ladeluftdruck vergleichsweise gering. Wird eine plötzliche Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine angefordert, benötigt der Turbolader eine gewisse Zeit, um einen unterstützenden Ladeluftdruck ausreichender Höhe zu generieren. Diesen Zustand kurzzeitiger fehlender Unterstützung der Brennkraftmaschine durch einen Turbolader ist allgemein als „Turboloch" bekannt.
• Um die obigen Nachteile zu überwinden oder zumindest einzuschränken sind im Stand der Technik zwei Ansätze bekannt. Ein Ansatz besteht darin, einen elektrisch betriebenen oder elektrisch unterstützten Turbolader einzusetzen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass sie im Vergleich zu einem normalen Turbolader mit höheren Hardwarekosten und mit einer höheren elektrischen Leistungsaufnahme verbunden ist. Aus diesen Gründen ist dieser Ansatz für die Nutzung in der Großserienproduktion von Kraftfahrzeugen nicht geeignet. Er wurde bisher nur in Versuchsfahrzeugen eingesetzt, um eine Weiterentwicklung zu unterstützen.
• Der zweite Ansatz besteht in der Nutzung eines zweistufigen Turbolader-Systems, das auch als Twin-Turbo oder Registeraufladung bezeichnet wird. Untersuchungen derartiger Systeme zeigen das Potenzial der Luftpfadoptimierung mit Hilfe zweistufiger Turbolader-Systeme. Beispielsweise wurde in einer Opel-Studie die Leistung eines Common-Rail-Dieselmotors mit 1,9 l Hubraum durch Einsatz einer zweistufigen Turbolader-Technologie von 110 kW auf 156 kW gesteigert. Im Hinblick auf zweistufige Turbolader-Systeme besteht jedoch ein wesentlicher Nachteil darin, dass sie im Vergleich zu Standardturboladern mit erheblich größeren Hardwarekosten zur Realisierung eines solchen Luftpfads verbunden sind.
• Aus der DE 103 38 628 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasreinigungsanlage bekannt. Dabei wird zum Anheben einer Abgastemperatur in einem Niedriglastbetrieb und in einem Schleppbetrieb eine Ansaugluftdrosselung vorgenommen. Das Maß der Ansaugluftdrosselung wird in Abhängigkeit einer zu erwartenden Lastanforderung in der Weise bestimmt, dass bei einer zu erwartenden unveränderten oder abnehmenden Lastanforderung eine erhöhte oder maximal mögliche Ansaugluftdrosselung eingestellt wird und bei einer zu erwartenden ansteigenden Lastanforderung keine oder eine verringerte Ansaugluftdrosselung eingestellt wird. Die zu erwartende Lastanforderung wird anhand von Betriebs- und Umgebungsparametern der Brennkraftmaschine abgeschätzt. Indem in einem Nied riglastbetrieb und einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine eine erhöhte oder maximal mögliche Ansaugluftdrosselung erfolgt, wird die Abgastemperatur erhöht.
• Aus der DE 10 2004 017 092 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung eines Betriebs eines Otto-Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von Fahrtbedingungen des Kraftfahrzeugs entweder mager oder stöchiometrisch betrieben. Um einen zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führenden Betrieb des Kraftfahrzeugs mit kurzen Magerphasen zu vermeiden, ist bei dem bekannten Verfahren vorgesehen, verfügbare Informationen über augenblickliche und/oder zurückliegende Fahrtbedingungen des Kraftfahrzeugs auszuwerten, um eine Vorhersage über voraussichtlich unmittelbar bevorstehende Fahrtbedingungen zu treffen. Entsprechend dem Ergebnis der Vorhersage wird der Verbrennungsmotor in einen Magerbetrieb versetzt oder weiter in einer stöchiometrischen Betriebsart betrieben.
• Aus der DE 199 51 096 A1 ist weiterhin ein Motorregelsystem für einen mittels Abgasturbolader aufgeladenen Dieselmotor bekannt. Das Motorregelsystem regelt den Betrieb des Dieselmotors in Abhängigkeit von Kennfeldern und ermöglicht einen Wechsel zwischen zwei Betriebsarten des Dieselmotors. Um das Turboloch zu reduzieren, wird gemäß dem bekannten Verfahren vorgeschlagen, die eine Betriebsart durch einen Normalbetrieb und die andere Betriebsart durch einen zur Leistungssteigerung des Abgasturboladers dienenden Sonderbetrieb zu realisieren. Bei dem Sonderbetrieb sind die Abgastemperatur und/oder der Abgasdruck stromauf des Abgasturboladers relativ zum Normalbetrieb erhöht.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstigere optimierte Luftzufuhr für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Steuerungsverfahren einer Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung hervor.
• Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren ist insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotor und Turbolader geeignet. Es umfasst die folgenden Schritte: a) Übermitteln von Streckendaten einer durch das Kraftfahrzeug zurückzulegenden Strecke an ein Motorsteuergerät, b) Erkennen von zumindest einem zukünftigen Leistungssteigerungspunkt der Brennkraftmaschine anhand der Streckendaten, an dem eine Anforderung einer gesteigerten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu erwarten ist, und c) Vorbereiten der gesteigerten Leistungsabgabe, so dass die Brennkraftmaschine kurzfristig in einen Zustand gesteigerter Leistungsabgabe versetzbar ist.
• Zur Optimierung der Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine wird zunächst das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine bzw. des Kraftfahrzeugs mit den Daten der zurückzulegenden Strecke versorgt. Dies erfolgt beispielsweise über ein Navigationssystem oder eine manuelle Eingabe von Streckendaten, die dann an das Motorsteuergerät weitergeleitet werden. Basierend auf der Auswertung derartiger Daten ist für das Motorsteuergerät erkennbar, an welchen Punkten der Streckenführung der Fahrer des Kraftfahrzeugs eine gesteigerte Leistungsabgabe von der Brennkraftmaschine anfordern könnte. Um für diese Leistungssteigerungspunkte die Totzeiten bis zur Leistungsbereitstellung oder die Verzögerung zwischen Leistungsanforderung und Leistungsrealisierung durch die Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten, wird die Brennkraftmaschine gezielt in einen Vorbereitungszustand für die zu erwartende Leistungssteigerung versetzt.
• Dabei wird dieser Vorbereitungszustand bei einer Brennkraftmaschine mit Turbolader durch Einspritzen und Zünden einer drehmomentneutralen Einspritzung erzeugt, so dass eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine erhöht und der Turbolader der Brennkraftmaschine vorgespannt wird. Der vorgespannte Turbolader minimiert das aus dem Stand der Technik bekannte Turboloch, das bei einer plötzlichen Anforderung einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine zu Verzögerungszeiten in der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine führt.
• Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.
• Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens ist derart aufgebaut, dass es mit den Standardkomponenten eines Luftpfads der Brennkraftmaschine realisierbar ist. Zu diesen Standardkomponenten zählt beispielsweise ein einfacher Turbolader ohne elektrische Zusatzsysteme. Daher ist mit der vorliegenden Erfindung eine Optimierung der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine allein durch innermotorische Maßnahmen realisierbar. Dies stellt gleichzeitig sicher, dass keine gesteigerten Hardwarekosten zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Ergänzend dazu ist es aber ebenfalls denkbar, das vorliegende Steuerungsverfahren mit einem elektrisch unterstützten Turbolader oder einem zweistufigen Turbolader-System zu betreiben.
• Die dieser Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in der prädiktiven Beeinflussung der Abgaseigenschaften zur Reduzierung des Turbolochs. So lassen sich durch Auswertung von Fahrstreckendaten, die beispielsweise über ein angeschlossenes Navigationssystem, eine manuelle Eingabe von Fahrstreckendaten oder eine andersartige Hinterlegung dieser Fahrstreckendaten bereitgestellt werden, zukünftige Leistungssteigerungspunkte der Brennkraftmaschine mit hoher Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Leistungssteigerungspunkte bezeichnen Punkte, an denen beispielsweise aufgrund der Streckenführung oder des Fahrverhaltens des Fahrers eine Anforderung für eine gesteigerte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu erwarten ist. Derartige Leistungssteigerungspunkte sind u. a. die Auffahrt auf eine Schnellstraße oder Autobahn, das Verlassen eines Kurvenbereichs oder einer Passstraße oder ähnliche Situationen.
• Bei modernen Brennkraftmaschinen mit Mehrfacheinspritzung wird zur Vorbereitung einer gesteigerten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine eine drehmomentneutrale späte Nacheinspritzung und Zündung dieser Einspritzmenge vorgenommen. Mit Hilfe dieser Nacheinspritzung erhöht man die Abgastemperatur verglichen mit dem Zustand ohne Nacheinspritzung, so dass der Turbolader der Brennkraftmaschine Luft mit einem höheren Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine bereitstellt. Der Turbolader befindet sich somit in einem „vorgespannten" Zustand, der eine sofortige Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine mit minimiertem Turboloch gewährleistet.
• Die deutliche Reduktion des Turbolochs führt primär zu einem verbesserten Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs und zu einem gesteigerten Fahrkomfort aufgrund des verbesserten Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine. Sekundär treten ebenfalls geringere Emissionen der Brennkraftmaschine während der Beschleunigungsphase auf. Diese Vorteile werden allein durch regelungstechnische Optimierungen und ohne zusätzliche Hardwarekosten realisiert.
• Unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Das Steuerungsverfahren ist beispielsweise in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine abgelegt, führt dort seine Datenauswertung durch und übermittelt Befehle an angeschlossene Komponenten.
• Zu Beginn des Steuerungsverfahrens wird zunächst in Schritt S1 abgefragt, ob für die zurückzulegende Strecke des Kraftfahrzeugs Navigations- oder Streckendaten zur Verfügung stehen. Diese Streckendaten werden gemäß einer Alternative durch ein angeschlossenes Navigationssystem bereitgestellt. Somit prüft das Motorsteuergerät zunächst, ob das Navigationssystem eingeschaltet und/oder funktionstüchtig verbunden ist, um es bei einer positiven Antwort in den weiteren Ablauf des Steuerungsverfahrens zu integrieren. Sollte kein Navigationssystem zur Verfügung stehen, ist es ebenfalls denkbar, Streckendaten ma nuell einzugeben oder sie aus einem Speicher abzurufen, in dem sie hinterlegt sind.
• Sind keine Navigations- oder Streckendaten verfügbar, so wird in Schritt S2 die Nutzung normaler Steuerkonzepte angewiesen. Somit würde beispielsweise bei abgeschaltetem oder defektem Navigationssystem das Motorsteuergerät das Steuerungsverfahren bereits an dieser Stelle verlassen. Es würde jedoch ständig oder in regelmäßigen Abständen die Verfügbarkeit von Navigations- und/oder Streckendaten abfragen, um das Steuerungsverfahren erneut zu starten (Schritt S0).
• Wurde dem Motorsteuergerät mitgeteilt, dass ein Navigationssystem angeschlossen ist und arbeitet, folgt Schritt S3. Durch das Navigationssystem werden nach Eingabe eines Fahrziels durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs Streckendaten an eine Datenauswertung weitergeleitet. Die Datenauswertung prüft die empfangenen Streckendaten, ob sich im Verlauf dieser Strecke ein oder mehrere Leistungssteigerungspunkte der Brennkraftmaschine befinden. Diese Leistungssteigerungspunkte kennzeichnen Streckenpunkte, an denen der Fahrer des Kraftfahrzeugs voraussichtlich eine gesteigerte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine anfordern wird.
• Sobald diese Leistungssteigerungspunkte ermittelt worden sind, werden sie an das Motorsteuergerät weitergeleitet. Gleichzeitig erhält das Motorsteuergerät ständig oder in regelmäßigen Abständen Informationen über den Zustand der Brennkraftmaschine. Diese Informationen umfassen beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine und die Belastung oder das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine.
• Anhand der zur Verfügung gestellten Daten prüft das Motorsteuergerät den Zustand der Brennkraftmaschine. Dies beinhaltet gemäß einer Ausführungsform die Prüfung des Zustandes des Turboladers und dessen Fähigkeit, schnellstmöglich eine gesteigerte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu unterstützen. Des Weiteren prüft das Motorsteuergerät, ob in Abhängigkeit von der momentanen Position des Kraftfahrzeugs auf der vorgegebenen Strecke das Erreichen eines Leistungssteigerungspunkts bevorsteht. Steht beispielsweise der Leistungssteigerungspunkt kurz bevor und befindet sich der Turbolader nicht in einem „vorgespannten" Zustand, folgt Schritt 4.
• Es wird nun basierend auf der Prüfung der Brennkraftmaschine ein spezielles Einspritzkonzept eingeleitet, um den Turbolader vorzuspannen. Das spezielle Einspritzkonzept wird gezielt zu einem Zeitpunkt gestartet, so dass der Turbolader noch vor dem Erreichen eines möglichen Leistungssteigerungspunkts in seinen vorgespannten Zustand versetzt wird. Dies stellt sicher, dass der Turbolader ohne oder mit minimiertem Turboloch eine angeforderte gesteigerte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine unterstützt.
• Sollte die Prüfung der Zustandsdaten der Brennkraftmaschine und der momentanen Position des Kraftfahrzeugs ergeben, dass kein Leistungssteigerungspunkt zu erwarten ist, so folgt Schritt S2. Dies hat zur Folge, dass die Brennkraftmaschine mit normalen Steuerkonzepten angesteuert wird.
• Nachdem der Leistungssteigerungspunkt mit oder ohne eine Anforderung einer gesteigerten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine passiert worden ist, kehrt das Steuerungsverfahren zu seinem Anfang zurück, um erneut das mögliche Erreichen von Leistungssteigerungspunkten auf der geplanten Strecke des Kraftfahrzeugs vorzubereiten.

Claims (1)

1. Steuerungsverfahren einer Luftzufuhr einer Brennkraftmaschine mit Turbolader, insbesondere eines Dieselmotors, in einem Kraftfahrzeug, das die folgenden Schritte aufweist: a. Übermitteln von Streckendaten einer durch das Kraftfahrzeug zurückzulegenden Strecke an ein Motorsteuergerät, b. Erkennen von zumindest einem zukünftigen Leistungssteigerungspunkt der Brennkraftmaschine anhand der Streckendaten, an dem eine Anforderung einer gesteigerten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu erwarten ist, und c. Vorbereiten der gesteigerten Leistungsabgabe, so dass die Brennkraftmaschine kurzfristig in einen Zustand gesteigerter Leistungsabgabe versetzbar ist, durch Einspritzen und Zünden einer drehmomentneutralen Nacheinspritzung, so dass eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine erhöht und ein Turbolader der Brennkraftmaschine vorgespannt wird.