DE102006042086A1

DE102006042086A1 - Hybridfahrzeugsystem mit Motor mit variablem Ventilbetrieb

Info

Publication number: DE102006042086A1
Application number: DE102006042086A
Authority: DE
Inventors: Thomas G. Ypsilanti Leone
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2007-09-13
Also published as: CN101033696B; CN101033696A; US20090205889A1; US8069829B2; US20070209619A1; US7527028B2

Abstract

Ein System für ein Fahrzeug, mit einem in dem Fahrzeug angeschlossenen Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens einen Zylinder mit einem Einlass- und Auslassventil aufweist, wobei während Motorbetrieb die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlassventils variabel auf spät verstellbar sind und die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Auslassventils variabel auf spät verstellbar sind, und mit einer in dem Fahrzeug angeschlossenen Energieumwandlungsvorrichtung, die während Fahrzeugbetrieb gezielt Drehmoment zuführen und absorbieren kann.

Description

Hintergrund und Kurzdarlegung
Motoren verwenden verschiedene Formen variabler Nockensteuerung zur Verbesserung des Motorbetriebs bei einer Vielzahl von Drehzahl-/Lastbedingungen. Hybridfahrzeugsysteme kann eine variable Nockensteuerung zur Verbesserung des Gesamtbetriebs des Fahrzeugs verwenden.

Ein Vorgehen bei einem solchen System wird in der japanischen SAE-Schrift 9739552 beschrieben. Dieses System beschreibt ein Hybridelektrofahrzeug (HEV, = Hybrid Electric Vehicle), das einen Atkinson-Motor mit variabler Nockensteuerung des Einlasses verwendet, was während des Abschaltens und Anlassens (120 Grad nach UT) ein spätes Einlassventilschließen ermöglicht. Das späte Einlassventilschließen kann zum Verringern von Motorvibration während Motorneustarts genutzt werden.

Die vorliegenden Erfinder haben aber ein Problem bei einem solchen Vorgehen erkannt. Die Atkinson-Zyklus-Motoren leiden nämlich typischerweise unter einem grundlegenden Nachteil schlechten Drehmoments bei niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen. Die reduzierten Spitzendrehzahlwerte können dann zu sekundären Problemen bei Geräuschentwicklung, Vibration und Härte (englisch Noise, Vibration & Harshness, kurz NVH) sowie Kraftstoffwirkungsgrad führen, da höhere Motordrehzahlen zum Erzeugen ausreichender Leistung bei realen Fahrbedingungen erforderlich sind.

Somit können bei einem Vorgehen die obigen Punkte durch ein System für ein Fahrzeug angegangen werden, welches umfasst: einen in dem Fahrzeug angeschlossenen Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens einen Zylinder mit einem Ein- und Auslassventil aufweist, wobei während des Motorbetriebs die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlassventils variabel auf spät verstellbar sind und die Öffnungs- und Schließzeiten des Auslassventils variabel auf spät verstellbar sind; und eine im dem Fahrzeug angeschlossene Energieumwandlungsvorrichtung, die während des Fahrzeugbetriebs gezielt Drehmoment zuführen und absorbieren kann.

Auf diese Weise ist es möglich, einen verbesserten Startbetrieb zu erhalten, zum Beispiel durch Nutzen des auf spät Verstellens (Nacheilens) sowohl des Einlasses als auch der Auslasses. Weiterhin ist es auch möglich, eine verbesserte Drehmomentleistung während niedriger bis mittlerer Motordrehzahlen zu erhalten. Die späten Einlass-/Auslassventilsteuerzeiten können mit anderen Worten zum Verringern der während des Abschaltens und Anlassens des Motors durch den Motor gepumpten Frischluft verwendet werden, wodurch das Strömen von Sauerstoff zu den Katalysatoren in dem Abgas reduziert wird. Ferner kann ein solcher Betrieb auch NVH während des Betriebs des Motorstartens (Anlassens) und/oder Abschaltens vermindern. Wenn man aber eine variable Spätverstellung von Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten hat, werden aber Drehmomentnachteile bei weit offener Drosselklappe wie im Atkinson-Zyklus vermindert und es ist tatsächlich möglich, eine gewisse Drehmoment- und Leistungsverbesserung zu erhalten.

Ferner mindert das Verwenden des Spätverstellens sowohl der Einlass- als auch der Auslassventilsteuerung Probleme bei spätem Einlassventilöffnen bei einem Nicht-Atkinson-Zyklus-Motor mit variablem Spätverstellen der Einlassventilsteuerzeiten. In einem solchen Fall kann zum Beispiel das späte Einlassventilöffnen Geräuschbildung und Vibration erhöhen und die Ventilsteuerzeitverstellungen können wiederum nicht zur Verbesserung der Drehmomentleistung bei weit offener Drosselklappe beitragen. Somit können zumindest während einigen höheren Drehmomentleistungsbedingungen auch auf früh verstellte (voreilende) Steuerzeiten verwendet werden, um während realen Fahrbedingungen das Hybridantriebssystem besser zu nutzen und eine bessere Gesamtleistung des Fahrzeugs zu erhalten.

Weiterhin ist es durch Verwenden eines Spätverstellens sowohl des Ein- als auch des Auslassventils möglich, zum Beispiel verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Feedgasemissionen bei Teildrosselbetriebsbedingungen zu erhalten.

Eingehende Beschreibung der Figuren

1 zeigt ein beispielhaftes Hybridantriebssystem;

2–3 zeigen beispielhafte Motorsysteme mit unterschiedlichem variablem Ventilbetrieb;

3A zeigt eine beispielhafte Ein- und Auslassventilsteuerung mit dualem Spätverstellungsbetrieb;

4–7 sind Übersichtsflussdiagramme eines beispielhaften Betriebs;

8 ist eine beispielhafte Kurve von Signalen, die während einer simulierten Motorstopp- und Startsequenz von Interesse sein können;

9 ist eine beispielhafte Kurve von Signalen, die während einer anderen simulierten Motorstopp- und Startsequenz von Interesse sein können;

10 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Stoppsequenz für einen Motor mit variablem Ventiltrieb; und

11 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Startsequenz für einen Motor mit variablem Ventiltrieb.

Eingehende Beschreibung
Die vorliegende Anmeldung betrifft den Betrieb eines Motors mit verstellbarem Ein- und Auslassventilbetrieb bei einem Hybridantriebssystem. Während der Betrieb mit verstellbaren Motorventilsteuerzeiten verwendet werden kann, um verschiedene Vorteile bei einem Hybridantriebssystem zu erhalten, gibt es zahlreiche Beschränkungen, die verschiedene Leistungsaspekte von Hybridantriebssystemen beschränken.
Zum Beispiel kann ein Atkinson-Zyklus verwendet werden, um verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Leistung in Verbindung mit einem Hybridantriebssystem vorzusehen, doch kann der Atkinson-Zyklus zu einer schlechteren Spitzendrehmomentleistung bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen führen, was möglicherweise unter manchen Bedingungen wie niedrigem Batterieladungszustand die Fahrzeugleistung mindert. Ferner kann die schlechte Drehmomentreaktion zu sekundären Problemen bei NVH und Wirkungsgrad führen, da höhere U/min. erforderlich sind, um ausreichend Leistung bei realen Fahrerbedingungen zu erzeugen. Ein Beispiel eines Atkinson-Motorzyklus ist das Vorhandensein einer relativ späten Einlassventilschließsteuerzeit (IVC, vom englischen Intake Valve Closing) (z.B. 92 Grad nach dem UT). In einem anderen Beispiel kann bei Verwenden von Atkinson kombiniert mit variabler Einlass-Nockenwellensteuerung (VCT, vom englischen Variable Camshaft Timing) ein noch späteres IVC (120 Grad nach UT) verwendet werden.
Somit kann eine variable Nockensteuerung verwendet werden. um abhängig vom Bereich der genutzten Ventilsteuerung einen anderen Betrieb als einen Atkinson-Zyklus zu ermöglichen. Typische hydraulische variable Nockensteuerungsaktoren nutzen eine Vorgabeposition, wenn ungenügend Hydraulikdruck zum Aktivieren von Steuerung vorhanden ist, beispielsweise während Motorstartens, was noch weitere Grenzen für das auf früh und auf spät Verstellen der Ventilsteuerzeiten setzt. Ein anderes mögliches Vorgehen kann Einlass-VCT ohne einen Atkinson-Zyklus verwenden. Ein solches System könnte ein spätes IVC verwirklichen, dies würde aber auch sehr spätes IVO (Einlassventilöffnen, vom englischen Intake Valve Opening) mit sich bringen. Ein spätes IVO bedeutet, dass beide Ventile während des ersten Teils des Ansaugtakts geschlossen wären, so dass die Gase auf Unterdruck entspannt würden, bis das Einlassventil öffnet. Wenn das Einlassventil schließlich öffnet, würde Luft in den Unterdruck einströmen, was möglicherweise Ansauggeräusche vermehrt. Ferner kann die zum Entspannen der Gase während des Ansaugtakts erforderliche Leistung, die den Drehmoment-Pulsationen an der Kurbelwelle entspricht, einen Teil oder den gesamten NVH-Vorteil einen späten IVC mindern. Weiterhin kann ein zu diesem Zweck eingerichteter Einlass-VCT-Mechanismus den Betrieb mit weit offener Drossel nicht verbessern, für den das herkömmliche Einlass-VCT verwendet wird (mit IVC von 120 Grad nach UT würden 60 Grad Bewegung kein ausreichend frühes IVC für verbessertes niedriges U/min-Drehmoment ermöglichen).
Als anderes Beispiel wird in manchen Hybridsystemen der Motor bei vermehrter Häufigkeit gestartet und gestoppt. Die durch den Verdichtungstakt während des Anlassens und/oder Abschaltens erzeugten Drehmomentimpulse können aber zu vermehrter Geräuschbildung und Vibration führen, was das Fahrgefühl verschlechtert. Weiterhin kann der wiederholte Betrieb zu vermehrten Pumpen von Frischluft oder Sauerstoff durch die Abgasanlage führen, was potentiell Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen mit Sauerstoff sättigt und somit die Leistung während eines späteren Betriebs senkt. Während des Abschaltens und während des Anlassens kann mit anderen Worten der Kraftstoff abgeschaltet sein, während der Motor dreht, so dass der Motor Luft in Katalysatoren pumpt. Nach dem Motorstarten kann er zeitweilig fett betrieben werden, um Sauerstoff aus dem Katalysator zu spülen und eine NOx-Reduktion zu ermöglichen, doch kann immer noch eine gewisse NOx-Emission zusammen mit potentiell mehr Kohlenwasserstoffen und verminderter Kraftstoffwirtschaftlichkeit eintreten.
Es gibt noch weitere Beispiele, die hierin eingehender beschrieben werden. Ein Vorgehen, das zum Lösen mindestens einiger dieser Probleme verwendet werden kann, ist das Einsetzen einer dualen Spätverstellungsstrategie, bei der eine Veränderung der Ventilsteuerzeit verwendet wird, um ein ausreichendes Spätverstellen sowohl des Einlass- als auch des Auslassvorgangs zu ermöglichen. Wie nachstehend eingehender beschrieben wird, umfasst die Verwendung einer dualen Spätverstellungsstrategie bei einem Hybridantriebssystem auch die Berücksichtigung von Vorgabesteuerzeiten, wie sie zum Beispiel durch eine Vorgabeposition des Hydraulikaktors bewirkt werden, und eine geeignete Auswahl der Vorgabesteuerzeiten.
Bei einem solchen System ist es möglich, einen dualen Spätverstellungsbetrieb zu nutzen, um beträchtliche Kraftstoffwirtschaftlichkeits- und Emissionsvorteile bei Teillast und einige Vorteile bei weit offener Drossel zu erzielen, indem abhängig von Betriebsbedingungen veränderliche Beträge an Spätverstellung genutzt werden. Ein solcher Betrieb kann ferner zum Verbessern des Startens, Anlassens und Abschaltens des Motors verwendet werden.
Die nachstehende Tabelle fasst zum Beispiel verschiedene Bedingungen zusammen und zeigt, wie ein solches System vorteilhaft verwendet werden kann, bei dem als Vorgabesteuerzeiten auf spät gestellte Steuerzeiten, beispielsweise voll auf spät verstellt, gewählt ist. Wenn zum Beispiel die Ventilsteuerzeiten in einem Bereich dazwischen verändert werden können, kann die Vorgabeposition in einer späteren Hälfte des Bereichs liegend gewählt werden.
In einem Beispiel wird ein recht spätes IVC (Einlassventilschließen) während des Motorabschaltens und während des Anlassens verwendet, um das Strömen von Sauerstoff zu der Abgasanlage zu mindern und Verdichtungsdrehmomentimpulse zu senken. Im Einzelnen kann das mit dualer Spätverstellung erreichte recht späte IVC den Füllungsgrad des Motors senken, was den Luftdurchsatz zum Abgaskatalysator während des Abschaltens und Neustartens des Motors vermindert. Ferner reduziert auch eine geringere Menge der in den Zylinder zurückgehaltenen Ansaugluft und ein vermindertes effektives Verdichtungsverhältnis aufgrund der Verdichtungs-/Expansionsarbeit die Drehmoment-Pulsationen an der Kurbelwelle während des Anlassens. Dies kann verminderte Vibration während Motorneustarts und ein besseres Fahrzeugfahrgefühl bieten.
Unter Bezug nun auf 1 wird ein beispielhaftes Hybridantriebssystem 11 für ein Fahrzeug gezeigt, das einen Verbrennungsmotor 10, der hierin unter besonderem Bezug auf die 2–3 weiter beschrieben wird, und ein Getriebe 15 umfasst. In dieser Beispielausführung umfasst das Hybridantriebssystem 11 auch einen Motor/Generator 18 und eine Energiespeichervorrichtung 20. 1 zeigt generisch, dass der Motor, der Motor/Generator, das Getriebe und/oder die Energiespeichervorrichtung miteinander verbunden sind. In einem Beispiel kann das System 11 in einer Starter/Generator-Konfiguration verbunden sein, wobei der Motor/Generator zwischen dem Motor 10 und dem Getriebe 15 angeschlossen ist.
Alternativ kann das System 11 in einer parallelen, Reihen- oder kombinierten Konfiguration aus parallel und Reihe verbunden sein, zum Beispiel wenn entweder der Verbrennungsmotor und/oder der Motor 18 zum Beispiel das Rad 19 antreiben können.
Das Getriebe 15 kann ein Schaltgetriebe, ein Automatikgetriebe oder eine Kombination derselben sein. Ferner können verschiedene weitere Komponenten enthalten sein, beispielsweise ein Drehmomentwandler und/oder andere Fahrstufen, beispielsweise eine Achsantriebseinrichtung etc. Das Getriebe 15 wird mit dem Antriebsrad 19 verbunden gezeigt, das wiederum in Kontakt mit einer Straßenfläche 12 steht.
Die Energiespeichervorrichtung 20 kann u.a. eine Batterie, einen Kondensator, eine Schwungscheibe, einen Hydraulik- oder Pneumatikdruckbehälter sowie Kombinationen derselben umfassen. Der Motor/Generator kann betrieben werden, um Energie aus Fahrzeugbewegung und/oder dem Verbrennungsmotor zu absorbieren und die absorbierte Energie in eine zum Speichern durch die Energiespeichervorrichtung geeignete Form umzuwandeln. Der Motor/Generator kann auch zum Liefern einer Leistungsabgabe (Leistung, Arbeit, Drehmoment, Drehzahl etc.) auf die Antriebsräder 19 und/oder den Motor 10 mit Hilfe gespeicherter Energie betrieben werden.
In manchen Ausführungen kann der Motor 18 so ausgelegt sein, dass er auch als Generator dient, wodurch auf eine oder mehrere separate Generatorvorrichtungen verzichtet wird. Alternativ können ein separater Motor und Generator verwendet werden, wobei der Motor dafür ausgelegt ist, eine Motorleistungsabgabe aus der von der Batterie gelieferten Energie bereitzustellen, und der Generator dafür ausgelegt ist, Leistungsabgabe (z.B. Leistung, Drehmoment, Arbeit, Drehzahl, etc.) von dem Verbrennungsmotor und/oder Getriebe zu absorbieren und die absorbierte Leistung in Energie umzuwandeln, die von der Energiespeichervorrichtung speicherbar ist. Der Begriff Motor 18 wird hierin verwendet, um eine Vorrichtung zu beschreiben, die die Rolle sowohl eines Generators als auch eines Motors übernehmen kann.
Es können verschiedene Arten von Energie-/Drehmomentübertragung verwendet werden, beispielsweise eine mechanische Kupplung zwischen dem Motor 18 und dem Motor 10 oder dem Getriebe 15. Weiterhin können Verbindungen zwischen dem Motor 18 und der Energiespeichervorrichtung die Übertragung einer Vielzahl von Energieformen anzeigen, beispielsweise elektrische, mechanische, hydraulische, pneumatische, etc. Das Drehmoment kann zum Beispiel vom Motor 10 zum Antreiben der Fahrzeugantriebsräder 19 über das Getriebe 15 übertragen werden. Wie vorstehend beschrieben kann der Motor 18 zum Betreiben in einer Generatorbetriebsart und/oder einer Motorbetriebsart ausgelegt sein. In einer Generatorbetriebsart absorbiert das System 18 einen Teil oder die gesamte Leistung vom Motor 10 und/oder dem Getriebe 15, was den Betrag der dem Antriebsrad 19 zugeführten Antriebsleistung oder den Betrag des Bremsdrehmoments auf das Antriebsrad 19 senkt. Ein solcher Betrieb kann zum Beispiel zum Erreichen von Wirkungsgradgewinnen durch regeneratives Bremsen, verbesserten Motorwirkungsgrad, etc. eingesetzt werden. Ferner kann die vom System 11 erhaltene Leistung zum Laden der Energiespeichervorrichtung 20 verwendet werden. In der Motorbetriebsart kann das System 11 dem Motor 10 und/oder dem Getriebe 15 zum Beispiel durch Verwenden von in einer elektrischen Batterie gespeicherter elektrischer Energie mechanische Leistung liefern.
Wie hierin erwähnt, können Hybridantriebsausführen Full-Hybridsysteme umfassen, bei denen das Fahrzeug nur mit dem Verbrennungsmotor, nur mit dem Motor oder mit einer Kombination derselben laufen kann. Es können auch Unterstützungs- oder Mild-Hybrid-Konfigurationen eingesetzt werden, bei denen der Verbrennungsmotor die primäre Drehmomentquelle ist, wobei das Hybridantriebssystem zum Starten des Verbrennungsmotors und zum gezielten Zuführen zusätzlichen Drehmoments, zum Beispiel während Tip-In oder anderen Bedingungen, dient. Desweiteren können Starter/Generator- und/oder Smart-Drehstromgeneratorsysteme verwendet werden. In jedem Fall ist das Hybridantriebssystem verglichen mit einem herkömmlichen Startermotor in der Lage, den Motor zum Liefern und/oder Absorbieren von Drehmoment während des Fahrzeugbetriebs, zum Beispiel bei anderen Bedingungen als nur Motorstarten, zu nutzen.
2 zeigt einen Zylinder eines Mehrzylindermotors sowie die mit diesem Zylinder verbundene Einlass- und Auslass-Strecke. Weiter mit 2 wird ein Einspritzverbrennungsmotor 10, der mehrere Brennräume aufweist, durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert. Der Brennraum 30 des Motors 10 wird mit Brennraumwänden 32 mit einem darin positionierten Kolben 36 und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden gezeigt. Ein Startermotor (nicht dargestellt) ist mittels einer Schwungscheibe, eines Planetenradsatzes, eines Antriebsriemens oder eines anderen Gestänges (nicht dargestellt) mit der Kurbelwelle 40 verbunden. Der Brennraum oder Zylinder 30 wird mit einem Ansaugkrümmer 44 bzw. Abgaskrümmer 48 mittels jeweiliger Einlassventile 52a und 52b (nicht dargestellt) und Auslassventile 54a und 54b (nicht dargestellt) in Verbindung stehend gezeigt. Wenngleich in diesem Beispiel zwei Einlass- und zwei Auslassventile verwendet werden, können auch alternative Ventilkonfigurationen verwendet werden, beispielsweise ein Einlass- und ein Auslassventil oder zwei Einlass- und ein Auslassventil.
Ein Einspritzventil 66A wird direkt mit dem Brennraum 30 verbunden gezeigt, eingespritzten Kraftstoff in diesen proportional zur Impulsbreite des Signals fpw zuzuführen, das von dem Steuergerät 12 mittels eines elektronischen Treibers 68 erhalten wird. Das Einspritzventil kann zum Beispiel in der Seite des Brennraums oder im oberen Teil des Brennraums angebracht sein. Durch eine herkömmliche Hochdruck-Kraftstoffanlage (nicht dargestellt) mit einem Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und einem Kraftstoffverteilerrohr wird dem Einspritzventil 66A Kraftstoff zugeführt.
Der Ansaugkrümmer 44 wird mittels einer Drosselklappe 62 mit dem Drosselklappengehäuse 58 in Verbindung stehend gezeigt. In diesem speziellen Beispiel ist die Drosselklappe 62 mit dem Elektromotor 94 verbunden, so dass die Position der Drosselklappe 62 durch das Steuergerät 12 mittels des Elektromotors 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird häufig als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC, vom englischen Electronic Throttle Control) bezeichnet, die auch während der Leerlaufdrehzahlsteuerung genutzt wird. In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführung, die dem Fachmann gut bekannt ist, ist parallel zur Drosselklappe 62 ein Bypass-Luftdurchlass angeordnet, um den eingelassenen Luftstrom während der Leerlaufdrehzahlsteuerung mittels eines in dem Luftdurchlass angeordneten Steuerventils zu steuern.
Ein Abgassensor 76 wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts eines Katalysators 70 verbunden gezeigt. Der Sensor 76 kann einer von vielen bekannten Sensoren zum Liefern einer Angabe des Abgas-Kraftstoff-/Luftverhältnisses sein, beispielsweise ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (unbeheizte Lambdasonde), ein Zweizustand-Sauerstoffsensor bzw. EGO, eine HEGO (beheizte EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor.
Die Zündanlage 88 liefert dem Brennraum 30 mittels einer Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Signal SA zum auf früh Verstellen der Zündung vom Steuergerät 12 unter ausgewählten Betriebsarten einen Zündfunken. Wenngleich Fremdzündungskomponenten gezeigt werden, kann der Motor 10 (oder ein Teil der Zylinder desselben) in einer Verdichtungszündbetriebsart mit oder ohne Zündunterstützung (und/oder einer zusätzlichen Einspritzung zum Unterstützen bei Beginn der Selbstzündung durch Anheben der Zylindertemperatur) betrieben werden. Ferner weist der Brennraum in einer alternativen Ausführung keine Zündkerze auf.
Das Steuergerät 12 kann so ausgelegt sein, dass es den Brennraum 30 veranlasst, wie hierin beschrieben in verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten zu arbeiten. Die Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten können verändert werden, um zusammen mit anderen Parametern wie AGR, Ventilsteuerung, Ventilbetrieb, Ventildeaktivierung, etc. verschiedene Verbrennungsbetriebsamen vorzusehen.
Die beispielhafte Abgasschadstoffbegrenzungsvorrichtung 70 stellt eine oder mehrere katalytische Vorrichtungen dar, zum Beispiel einen Dreiwegekatalysator, NOx-Filter, etc., die verwendet werden können.
Das Steuergerät 12 wird in 2 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: eine Mikroprozessoreinrichtung 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicherchip 106, Arbeitsspeicher 108, batteriestromgestützter Speicher 110 und herkömmlicher Datenbus gezeigt wird. Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es neben den zuvor beschriebenen Signalen von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfängt, darunter: Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von dem Luftmengenmesser 100, der mit dem Drosselklappengehäuse 58 verbunden ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118 (oder einem anderen Sensor), und eine Drosselklappenstellung TP von einem Drosselklappenstellungssensor 120; und ein Krümmerdrucksignal (MAP) von einem Sensor 122. Ein Motordrehzahlsignal RPM wird durch das Steuergerät 12 aus dem Signal PIP in herkömmlicher Weise erzeugt, und das Krümmerdrucksignal von einem Krümmerdrucksensor liefert einen Hinweis auf Unterdruck bzw. Druck in dem Ansaugkrümmer. Zu beachten ist, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, beispielsweise ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während stöchiometrischen Betriebs kann dieser Sensor einen Hinweis auf Motordrehmoment geben. Ferner kann dieser Sensor zusammen mit Motordrehzahl eine Füllungsschätzung (einschließlich Luft) liefern, die in den Zylinder eingelassen wird. In einem Beispiel erzeugt der Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle.
In diesem speziellen Beispiel kann die Temperatur Tcat1 der Vorrichtung 70 aus dem Motorbetrieb gefolgert werden. In einer anderen Ausführung wird die Temperatur Tcat1 durch einen Temperatursensor 124 geliefert.
Weiter mit 2 wird der Motor 10 mit einer Einlassnockenwelle 130 und einer Auslassnockenwelle 132 gezeigt, wobei die Nockenwelle 130 beide Einlassventile 52a, b betätigt und die Nockenwelle 132 beide Auslassventile 54a, b betätigt. Die Ventile können mittels Hubprofilen an den Nockenwellen betätigt werden, wobei die Hubprofile zwischen den verschiedenen Ventilen bezüglich Höhe, Dauer und/oder Steuerzeiten variieren können.
Die Aktoren 136 und 138 können zum Beispiel die Steuerzeiten und/oder den Hub der Nocken 130 bzw. 132 verändern. Bei Bedarf könnte aber andere Nockenwellenanordnungen (oben liegend und/oder Stößelstange) verwendet werden. In einem Beispiel sind die Aktoren 136 und 138 Aktoren des Typs hydraulische Schaufeln, bei denen Hydraulikmotoröl (durch eine Motorölpumpe druckbeaufschlagt) zum Verstellen der Nocken-/Ventilsteuerzeiten auf früh/spät verwendet wird. In manchen Beispielen werden ein Arretierstift und ein Federmechanismus eingesetzt, um die Aktoren in vorgegebene arretierte Positionen zu setzen, wenn ungenügend Öldruck/-fluss zum Steuern der Steuerzeitposition vorhanden ist (z.B. bei Bedingungen niedriger Drehzahl, wenn das Öl aufgewärmt ist, während Motorstoppbedingungen, etc.). Die arretierte Position kann zum Beispiel entweder voll auf früh oder voll auf spät verstellt sein.
In einer Beispielausführung, bei der die voll auf spät verstellte Position für aufgewärmte Abschaltungen und Neustarts erwünscht ist, kann die voll arretierte Position als voll auf spät verstelle Position gewählt werden. Die voll auf spät verstellte Position ist aber eventuell nicht für alle Kaltstarts, Leerlauf oder niedrige U/min-Bedingungen mit weit offener Drossel geeignet, bei denen der Öldruck auch niedrig sein kann. Somit kann es widersprüchliche Anforderungen für die Auslegung der mechanischen Arretierstifte für VCT-Aktoren geben. Daher können verschiedene Verfahren des Motorbetriebs eingesetzt werden, die hierin nachstehend eingehender beschrieben werden. Alternativ können elektrisch betätigte Ventile verwendet werden. Solche Mechanismen sind aber allgemein eher für Motoren mit zwei oben liegenden Nockenwellen geeignet und können die Kosten erhöhen.
Desweiteren können Mechanismen für eine variable Nockensteuerung, die keinen hohen Öldruck erfordern, verwendet werden, beispielsweise nockendrehmomentbetätigte VCT-Mechanismen. In einer noch anderen Ausführung kann eine größere Motorölpume verwendet werden, um VCT-Betrieb bei niedrigeren U/min. zu ermöglichen, in welchem Fall die voll auf früh oder voll auf spät verstellte Position als arretierte Position gewählt werden kann. In einer noch anderen Ausführung kann eine elektrische Motorölpumpe verwendet werden, um Öldruck zu liefern, selbst wenn der Motor ungenügend Öldruck liefert. D.h. an Stelle oder zusätzlich zu einer motorbetriebenen Ölpumpe kann eine elektrische Pumpe verwendet werden.
Weiter mit 2 zeigt diese lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und es versteht sich, dass jeder Zylinder seinen eigenen Satz an Einlass-/Auslassventilen, Einspritzventilen, Zündkerzen etc. hat. In einer alternativen Ausführung kann eine Kanalkraftstoffeinspritzkonfiguration verwendet werden, bei der ein Einspritzventil mit einem Ansaugkrümmer 44 in einem Kanal verbunden ist statt direkt mit dem Zylinder 30.
Ferner kann in den offenbarten Ausführungen eine Abgasrückführungsanlage (AGR) zum Leiten eines erwünschten Anteils an Abgas vom Abgaskrümmer 48 zum Ansaugkrümmer 44 mittels eines (nicht dargestellten) AGR-Ventils verwendet werden. Alternativ kann ein Teil der Verbrennungsgase durch Steuern der Einlass-/Auslassventilsteuerzeiten in dem Brennraum zurückbehalten werden.
Der Motor 10 kann in verschiedenen Betriebsarten arbeiten, einschließlich mageren Betriebs, fetten Betriebs oder „nahezu stöchiometrischen" Betriebs. Ein „nahezu stöchiometrischer" Betrieb bezeichnet einen um das stöchiometrische Kraftstoff-/Luftverhältnis pendelnden Betrieb.
Unter Bezug nun auf 3 wird eine alternative Ventilkonfiguration gezeigt, bei der eine einzelne oben liegende Nockenwelle 134 zum Aktivieren sowohl der Einlass- als auch der Auslassventile mittels jeweiliger Kipphebel 146 und 148 verwendet wird. Die Nockenwelle 134 kann zwischen einer auf früh und einer auf spät verstellten Position mittels eines variablen Ventilsteuerungsaktors 144 verstellt werden, der zum Beispiel ein hydraulischer Aktor sein kann. Dieses Beispiel kann als duale gleiche variable Nockensteuerung bezeichnet werden, da jedes auf früh/spät Verstellen sowohl die Einlass- als auch die Auslassventilsteuerzeiten im Wesentlichen gleich beeinflusst. Dieses Beispiel zeigt mit anderen Worten eine allgemeine Nockenwelle, die mindestens ein Auslassventil und ein Einlassventil betätigt und kann verstellbare Ventilsteuerzeiten aufweisen. Insbesondere können die Nockensteuerzeiten in einem Bereich von etwa 60 Grad Kurbelwinkel verstellbar sein. Wenn somit die Nockensteuerzeit auf spät verstellt wird, werden die Einlassventil-Öffnungssteuerzeit, die Einlassventil-Schließsteuerzeit, die Auslassventil-Öffnungssteuerzeit und die Auslassventil-Schließsteuerzeit allesamt um einen in etwa gleichen Gradbetrag auf spät verstellt. Wenn analog die Nockensteuerzeiten auf früh verstellt werden, werden die Einlassventil-Öffnungssteuerzeit, die Einlassventil-Schließsteuerzeit, die Auslassventil-Öffnungssteuerzeit und die Auslassventil-Schließsteuerzeit allesamt um einen in etwa gleichen Gradbetrag auf früh verstellt.
Zu beachten ist, dass die 2–3 nur einige Beispiele von Systemen zeigen, die sowohl eine Einlass- als auch eine Auslasssteuerzeit eines Zylinders auf früh/spät verstellen können. Der Verstellbereich kann zum Beispiel größer oder kleiner als 60 Grad sein oder kann verschiedene Mechanismen zum Erreichen ungleichen Voreilens/Nacheilens zwischen Ventilen verwenden.
Unabhängig vom Mechanismus zum Vorsehen von Nacheilen beider Ein- und Auslassventilereignisse unter ausgewählten Bedingungen (z.B. 30 bis 60 Grad Kurbelwinkel), kann ein solcher Betrieb eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und verringerte Emissionen bei Teillast und gewisse Vorteile bei weit offener Drossel bieten.
Wie zum Beispiel bezüglich 3A gezeigt wird, zeigt die Kurve beispielhafte Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten zusammen mit einem beispielhaften Bereich der Ventilsteuerzeitverstellung. In manchen Beispielen des Stands der Technik greift der Arretierstift in der voll auf früh verstellten Position, wobei die voll auf früh verstellte Position für Kaltstarts, Warmstarts, Leerlauf und niedrige U/min. bei weit offener Drossel verwendet wird. Es können bis zu 60 Grad Nacheilen für verbesserte Teillast-Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Feedgas-Emissionen verwendet werden. In einer Ausführung der vorliegenden Anmeldung kann ein verbessertes Neustartverhalten des warmen Motors durch Eingriff des Arretierstifts in der voll auf spät verstellten Position erzielt werden. Dies kann mit einer modifizierten Steuerstrategie für Kaltstarts und/oder Leerlauf und/oder niedrigen U/min. bei weit offener Drossel kombiniert werden, wie nachstehend beschrieben wird.
Unter Bezug nun auf die 4–7 werden Routinen zum Steuern des Motor- und Hybridantriebssystembetriebs beschrieben. Im Einzelnen können die Steuerroutinen für öldruckbetätigte duale Nacheil-Motorsysteme in einem Hybridantriebssystem verwendet werden. Die in den Flussdiagrammen beschriebenen Verfahren und Vorgehen erkennen die Wechselwirkungen zwischen dem Motor und dem Hybridsystem, wobei ein variabler Nockensteuerungsaktor eine arretierte Position in einer auf spät verstellten Position hat (z.B. würden Arretierstifte die Nocken für eines oder beides von Einlass- und Auslassventilsteuerzeit in der vollen Nacheilung halten, wenn der Öldruck zu niedrig ist). Wie vorstehend erwähnt kann eine solche auf spät verstellte Steuerzeit für Abschaltungen und Neustarts im aufgewärmten Zustand vorteilhaft sein.
Ein volles Nacheilen kann aber bei Bedingungen des aufgewärmten Leerlaufs, niedrigen U/min. bei weit offener Drossel oder anderen niedrigen U/min-Bedingungen nicht immer geeignet sein, wenn das Öl warm ist (typischerweise kann der Öldruck für VCT-Betrieb unter etwa 700–900 U/min. zu niedrig sein). In einer Ausführung kann das Hybridsystem zum Verstellen des Systembetriebs verwendet werden, um den Betrieb bei einigen der obigen Bedingungen zu vermeiden. Zum Beispiel versuchen die meisten Hybridsysteme, zur bessern Kraftstoffwirtschaftlichkeit den Betrieb bei aufgewärmtem Leerlauf zu minimieren. Sogar bei solchen Systemen kann aber ein gewisser Leerlaufbetrieb verwendet werden, wenn Klimatisierung erforderlich ist, wenn das Energiespeichersystem niedrig ist (z.B. niedriger Batterieladestatus) oder aus anderen Gründen. Unter diesen Bedingungen kann die Leerlaufdrehzahl als Funktion des gemessenen oder gefolgerten Öldrucks angehoben werden. Statt somit den VCT-Betrieb zu deaktivieren, kann die Leerlaufdrehzahl als Funktion von Öltemperatur (oder gefolgerter Öltemperatur) angehoben werden, wie nachstehend eingehender beschrieben wird.
Ferner ist der Betrieb unter 700–900 U/min bei höheren Lasten weniger häufig. Dennoch kann bei einem Hybrid mit der CVT-artiger (Continuously Variable Transmission = Stufenloses Getriebe) Funktionalität das Steuersystem die Motordrehzahl direkt ändern, ohne die Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern, und kann somit Logik ähnlich der obigen verwenden, um die Motordrehzahl oberhalb einer minimalen VCT-Betrieb-Motordrehzahl zu halten. Bei einem Hybridsystem ohne CVT-artiger Getriebefunktionalität kann die Mindestmotordrehzahl in der Steuerlogik eine Beschränkung für die Gangwahl, das Drehmomentwandlerarretieren und den Betrieb der elektronischen Drossel etc. sein, so dass eine minimale Motordrehzahl gehalten werden kann, wenn ein Verstellen der Steuerzeit auf früh erforderlich ist.
Unter speziellem Bezug nun auf 4 wird eine Routine zum Verstellen des Motorbetriebs zum Halten eines variablen Nockensteuerungsbetriebs beschrieben. Zunächst ermittelt die Routine bei 410, ob die Leerlaufbedingungen vorliegen. Eine solche Ermittlung kann zum Beispiel auf Motordrehzahl, Motorleistungsabgabe, Pedalstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit oder Kombinationen davon beruhen. Wenn Leerlaufbedingungen nicht vorliegen, geht die Routine weiter zu 411. Wenn Leerlaufbedingungen vorliegen, geht die Routine weiter zu 412, um zu ermitteln, ob Motorbetrieb erforderlich ist. Motorbetrieb kann zum Beispiel aufgrund eines niedrigen Batterieladestatus oder einer Notwendigkeit zum Betreiben einer Klimaanlage erforderlich sein.
Wenn die Antwort auf 412 Nein lautet, geht die Routine weiter zu 414, wo der Motor abgeschaltet wird und das Fahrzeug mittels des Motors/Generators 18 betrieben wird. Wenn andernfalls die Antwort auf 412 ja lautet, geht die Routine weiter zu 416, um eine Sollmotordrehzahl zu ermitteln. Zum Beispiel kann die Routine eine Sollmotorleerlaufdrehzahl basierend auf Motorkühlmitteltemperatur, Abgas- oder Katalysatortemperatur, Umgebungslufttemperatur, Zubehörteilforderung, Betrag der in der Vorrichtung 20 gespeicherten Energie oder verschiedenen Kombinationen derselben ermitteln. Als Nächstes geht die Routine weiter zu Schritt 418, um zu ermitteln, ob die Sollmotorleerlaufdrehzahl unter einer minimalen Motordrehzahl für variablen Nockensteuerungsbetrieb liegt. Die minimale Drehzahl für variablen Nockensteuerungsbetrieb kann auf Hydrauliköltemperatur, Hydrauliköldruck, Motortemperatur oder verschiedenen Kombinationen derselben beruhen. Alternativ kann die Routine bei 418 ermitteln, ob der Hydrauliköldruck zum Steuern der variablen Nockensteuerzeiten unter einem minimalen Hydraulikdruck für akzeptable Ventilsteuerung liegt.
Wenn die Antwort auf 418 nein lautet, geht die Routine weiter zu 422, um die Motorleerlaufdrehzahl auf die Sollleerlaufdrehzahl zu steuern und den variablen Nockensteuerungsbetrieb auf die Sollsteuerzeiten zu verstellen. Wenn der Motor zum Beispiel unter Kaltleerlaufbedingungen arbeitet, stellt die Routine die Einlass- und/oder Auslassventilsteuerzeiten auf früh vor.
Wenn alternativ die Antwort auf 418 ja lautet, geht die Routine zu 424 weiter, um die Sollmotorleerlaufdrehzahl auf die minimale Drehzahl zum Halten des variablen Nockensteuerungsbetriebs anzuheben. Dann geht die Routine von 424 ebenfalls weiter zu 422.
Auf diese Weise kann der Betrieb so verstellt werden, dass ein akzeptabler Ventilsteuerungsbetrieb und Motorabschaltbetrieb vorgesehen werden.
Unter Bezug nun auf 5 wird eine Routine zum Steuern der Motordrehzahl auf eine minimale akzeptable Drehzahl zum Halten des variablen Nockensteuerungsbetriebs außerhalb der Leerlaufbedingungen beschrieben. Zunächst ermittelt die Routine bei 510 ähnlich wie bei 418, ob die Motordrehzahl unter einer Mindestdrehzahl zum Halten eines variablen Nockensteuerungsbetriebs liegt. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 512, um durch Verstellen des Getriebebetriebs, des Betriebs des Motors 18, des Drehmomentwandlerarretierens oder Kombinationen derselben die Motordrehzahl auf mindestens die minimale Motordrehzahl anzuheben. Unter Bezug nun auf 6 wird ein Motorabschaltbetrieb beschrieben. Im Einzelnen ermittelt die Routine bei 610, ob ein Motorabschalten gerade abläuft. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 612, um die Einlass- und Auslassventilöffnungs-/schließsteuerzeiten auf eine auf spät oder voll auf spät verstellte Position zu bewegen.
Unter Bezug nun auf 7 wird eine beispielhafte Motorstartroutine beschrieben. Zunächst ermittelt die Routine bei 710, ob eine Motorstartbedingung vorliegt. Es können verschiedene Vorgehen zum Ermitteln eines Motorstarts bestimmt werden, beispielsweise ein Motorstartbefehl von einem Fahrzeugsystemsteuergerät oder eine Motorschlüssel-Ein-Stellung oder verschiedene andere. Wenn die Antwort auf 710 ja lautet, geht die Routine weiter zu 711, wo die Routine ermittelt, ob es sich um einen heißen Neustart oder einen Kaltstart handelt. Ein heißer Neustart kann zum Beispiel ein Neustart sein, der vom Fahrzeugsystemsteuergerät gefordert wird, während ein Kaltstart ein Start als Reaktion auf eine Schlüssel-Ein-Stellung ist. Alternativ können die beiden durch Verwenden von Abgas- oder Katalysatortemperatur, Motortemperatur, Zeit seit dem letzten Start etc. unterschieden werden. Wenn ein heißer Neustart erwünscht ist, geht die Routine weiter zu 712 und startet den Motor mit den Einlass- und/oder Auslassventilsteuerzeiten in einer auf spät verstellten, beispielsweise einer auf voll spät verstellten, Position, um das Strömen von Sauerstoff zum Katalysator zu minimieren. Als Nächstes ermittelt die Routine bei Schritt 714, ob ausreichend Öldruck vorliegt, um die Einlass- und/oder Auslassventilsteuerzeiten weg von der arretierten Position (z.B. voll spät) zu steuern. Wenn die Antwort auf 714 ja lautet, geht die Routine weiter zu 716, um die Nockensteuerzeiten basierend auf Motorbetriebsbedingungen wie Motorkühlmitteltemperatur, Anzahl an Verbrennungsvorgängen ab Motorstart, Zeit seit Motorstart, Umgebungstemperatur, Luftdruck, Motordrehzahl, Motorlast und verschiedenen anderen auf Sollsteuerzeiten zu verstellen.
Wenn alternativ die Antwort auf 711 nein lautet, dann ist ein Kaltstart erwünscht und die Routine rückt zu 718 vor. In diesem Fall kann der Katalysator mit Sauerstoff gesättigt sein und es kann bevorzugt sein, den Motor zu starten, nachdem das VCT zu einer weiter voreilenden Position bewegt wurde. Eine stärker voreilende VCT-Position kann zum Beispiel die Verbrennungsstabilität verbessern, die Kraftstoffverdampfung oder das Kraftstoff-/Luftvermischen verbessern, eine stärkere Verstellung der Zündung in Richtung spät und eine höhere Abgastemperatur ermöglichen oder Feedgas-Abgasemissionen senken. Daher erhöht die Routine bei Schritt 718 die Motordrehzahl ohne Kraftstoffzufuhr oder Starten des Verbrennungsmotors. Bei Schritt 720 prüft die Routine, ob die Sollstartdrehzahl erreicht ist und ob der Öldruck hoch genug ist, um den VCT-Betrieb zu aktivieren. Wenn die Antwort auf eine der Fragen nein lautet, kehrt die Routine zu 718 zurück und erhöht die Motordrehzahl weiter. Wenn die Antwort auf 720 ja lautet, geht die Routine weiter zu 722, wo das VCT zu einer stärker voreilenden Position bewegt wird. Wenn das VCT die Sollposition für den Motorkaltstart erreicht, geht die Routine weiter zu 724, wo Kraftstoff und/oder Zündung aktiviert werden und der Verbrennungsmotor zu laufen beginnt. Die Routine geht dann weiter zu 716, wo normaler VCT-Betrieb ermöglicht ist.
Auf diese Weise ist es möglich, ein akzeptables Motorstarten unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen vorzusehen und vorteilhaft ein System zum Verstellen von variablen Ventilen für Einlass/Auslass zu nutzen, bei dem die Ventilsteuerung in einer nacheilenden Ventilsteuerposition für heiße Neustarts arretiert ist, bei Kaltstarts aber zu einer stärker voreilenden Position bewegt wird.
Die verschiedenen Ausführungen und Beispiele, die hier vorstehend offenbart werden, gehen eine Vielzahl von Problemen in Bezug auf Motorstarten/-stoppen, Hybridantriebssysteme und hydraulische VCT-Aktorsysteme an.
Durch Verwenden von zum Beispiel auf später verstellten Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten während mindestens einigen Motorabschaltbetrieben und Motorstart-/anlassbetrieben ist es möglich, das Strömen von Frischluft und/oder Sauerstoff zu dem Katalysatorsystem zu reduzieren, wodurch eine Notwendigkeit fetten Betriebs bei Neustarts (wodurch Kraftstoffwirtschaftlich verbessert wird) gemindert und NOx- und/oder Wasserkohlenstoffemissionen gesenkt werden. Ein solcher Betrieb ist bei einem Hybridsystem besonders brauchbar, das wiederholtes Motorstoppen während des Fahrzeugbetriebs nutzt, und kann somit vermehrte Hybrid-Stopp-Start-Zyklen ermöglichen, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit weiter verbessert wird und Emissionen gesenkt werden. Weiterhin können die auf spät verstellten Einlass-/Auslasssteuerzeiten während des Abschaltens und/oder Anlassens/Startens auch den Betrag zurückgehaltener Füllung senken, wodurch Drehmomentimpulse an der Kurbelwelle gesenkt und NVH gemindert werden.
Als weiteres Beispiel ist es durch geeignete Auswahl einer Vorgabeposition des variablen Ventilsteuerungsaktors und der Systemkonfiguration möglich, widersprüchliche Forderungen bezüglich der Vorgabeposition bei unterschiedlichen Startbedingungen und unterschiedlichen Leerlaufbedingungen zu lösen, die jeweils auf der Vorgabeposition zum Steuern der Ventilsteuerzeiten beruhen, wenn ungenügend Öldruck vorliegt. Ferner ist es durch Nutzen der oben erwähnten Steuerungen der Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten bei einem Hybridantriebssystem möglich, die Fähigkeit zum Steuern der Motordrehzahl zumindest etwas unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit zu nutzen, wodurch ausgewählte Betriebsbedingungen reduziert oder vermieden werden, die eine Vorgabeposition der Ventilsteuerung erfordern, die gewisse Motorstart- oder Leerlaufbetriebsbedingungen verschlechtert.
Unter Bezug nun auf die 8–12 werden weitere Steueraspekte bezüglich des Motorstartens und/oder Motorstoppens dargelegt.
In diesen Beispielen werden die Motorventilsteuerzeiten verstellt, um Luftdurchsatz als Reaktion auf eine Forderung zum Stoppen des Motors zu reduzieren, und das Strömen von Kraftstoff wird zu ausgewählten Zylindern mit Ventilsteuerzeitverstellungen gestoppt, wenn die verstellte Steuerzeit die Zylinderluftfüllung des Zylinders unter einen vorbestimmten Betrag senkt. Durch Verstellen der Ventilsteuerzeiten nach einer Forderung, einen Motor zu stoppen, und durch Abschalten von Kraftstoff, wenn die in einen Zylinder gesaugte Luftmenge unter einem Wert liegt, der wahrscheinlich ein Sollverbrennungsstabilitätsmaß unterstützt, können Motoremissionen und unerwünschte Wahrnehmungen durch den Fahrer reduziert werden. Zum Beispiel können die Ventilsteuerzeiten und die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder in gesteuerter Weise verstellt werden, um Motordrehmoment während einer Motorstoppsequenz zu senken, zumindest während bestimmten Bedingungen. Ferner kann das Stoppen des Kraftstoffstroms, sobald die in einen Zylinder angesaugte Luftmenge einen vorbestimmten Wert erreicht (z.B. eine Luftmenge, die zu einem erwünschten Maß an wahrscheinlicher Verbrennungsstabilität führen kann), Motoremissionen mindern, da Motorfehlzündungen gesenkt werden können, wodurch die Menge an ausgestoßenen Kohlenwasserstoffen gesenkt wird. Ferner können hörbare Motorgeräusche und Motordrehmoment gleichmäßiger sein, da die Verbrennung einheitlicher sein kann. Verminderter Luftdurchsatz kann auch aufgrund von Verdichtungs-/Expansionsarbeit während des Abschaltens und/oder Neustartens Motordrehmoment-Pulsationen und NVH senken.
In einer anderen Ausführung kann ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mit variablem Ventiltrieb verwendet werden, welches umfasst: Erhöhen der Drehzahl des Motors während eines Starts aus einer gestoppten Position nach einer Forderung zum Starten des Motors; und Erhöhen eines Einlassventilsteuerzeitbetrags mindestens eines Zylinders während des Starts. Durch Erhöhen der Ventilsteuerzeiten bei Zunahme der Motordrehzahl während eines Motorstarts können Motoremissionen und die Menge des zu einem Abgasanlagenkatalysator gepumpten Sauerstoffs während des Motorstartens reduziert werden. Durch Betreiben der Ventilsteuerung (z.B. eines Motors mit dualer Nacheilung) bei einer auf spät verstellten Position kann die Menge der durch den Motor gepumpten Luft reduziert werden. Bei Zunahme der Motordrehzahl und nach Ermittlung der Motorposition können die Ventilsteuerzeiten auf früh verstellt werden, so dass die Verbrennung in ausgewählten Zylindern eingeleitet werden kann. Auf diese Weise können auf spät verstellte Steuerzeiten das Strömen von Sauerstoff zu einem Katalysator während eines Teils einer Startsequenz reduzieren, und es können auf früh verstellte Steuerzeiten zum Anheben der Zylinderfüllung verwendet werden, so dass während eines anderen Teils der Startsequenz Drehmoment erzeugt werden kann. Ein reduzierter Luftdurchsatz kann auch aufgrund von Verdichtungs-/Expansionsarbeit während des Abschaltens und/oder Neustartens Motordrehmoment-Pulsationen und NHV senken.
Ferner kann während eines Starts das Strömen von Kraftstoff gestoppt werden, bis eine Ansaugluftmenge einen Wert erreicht, der die Möglichkeit von Fehlzündungen senkt. Dies kann Motorstartemissionen weiter reduzieren.
Unter Bezug nun auf 8 wird eine beispielhafte Kurve von Signalen gezeigt, die während eines simulierten Motorstopps und/oder Motorstarts von Interesse sein können. Ein Motorstart kann einen Anlasszeitraum (siehe 9), eine unterstützte, nahezu konstante Rate der Motordrehzahlsteigerung ab einem Stopp (siehe 8(b)) oder einen durch Zylinder ausgelösten Direktstart umfassen. Ein Startintervall kann auf verschiedene Weise festgelegt werden, darunter: ein Zeitraum zwischen dem Punkt, da die Motordrehung einsetzt und die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl erreicht (z.B. Leerlaufdrehzahl); ein Zeitraum zwischen dem Punkt, da die Motordrehung einsetzt und eine Motordrehzahl unter der Leistung des Motors eine vorbestimmte Drehzahl erreicht; ein Zeitraum zwischen dem Punkt, da die Motordrehung einsetzt und die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl bei einer vorbestimmten Häufigkeit passiert hat; oder ein Zeitraum zwischen dem Punkt, da die Motordrehung einsetzt und die Motordrehzahl eine vorbestimmte Drehzahl über einen vorbestimmten Zeitraum lang erreicht.
Kurve (a) stellt ein beispielhaftes Motorstopp-Befehlssignal dar. Dieses Signal kann durch einen Bediener erzeugt werden, der auf einen Schalter einwirkt, oder automatisch durch ein Steuergerät, das die Fahrzeugbetriebsbedingungen überwacht und ermittelt, wann der Motor zu stoppen und/oder zu starten ist, zum Beispiel durch ein Hybridantriebsstrangsteuergerät. Der hohe Anteil des Signals stellt einen Befehl oder eine Forderung zum Stoppen des Motors dar, während der niedrige Signalanteil eine Forderung zum Starten des Motors oder Fortsetzen des Betriebs des Motors darstellt. Die Steuerung der Motorstoppforderung in Bezug auf die anderen Signale von 8 wird durch vertikale Linien T₁ und T₄ verdeutlicht.
Kurve (b) veranschaulicht eine beispielhafte Motordrehzahltrajektorie während einer Forderung zum Stoppen und Starten eines Motors.
Bei manchen Hybridfahrzeugkonfigurationen kann die Motordrehzahl mit Hilfe des sekundären Elektromotors oder unabhängig von der sekundären Energieerzeugungsanlage (z.B. ein Elektro- oder hydraulischer Motor) gesteuert werden. Die U.S. Patente 6,176,808 und 6,364,807 beschreiben einen Hybridantriebsstrang, der die Motordrehzahl mittels eines sekundären Motors und einer unabhängigen Verbrennungsmotor- und Motordrehzahlsteuerung steuern kann. Die Patente werden hiermit durch Erwähnung vollständig übernommen. Diese Motordrehzahltrajektorie stellt eine von mehreren Trajektorien dar, die durch Steuern der Motordrehzahl bei einem Hybridantriebsstrang möglich sein können. In einem Beispiel können ein Elektromotor und ein Getriebe zum Steuern der Motordrehzahl während des Stoppens und Startens verwendet werden. Ferner kann das Ventil oder der Nockenphasenwinkel bezüglich der Motorposition und Drehzahl so gesteuert werden, dass die Ansaugluftmenge reguliert werden kann. In der Figur werden Motorabbremsung und -beschleunigung während jeweiliger Start- und Stoppsequenzen gesteuert. Die Motordrehzahl und die Ventilsteuerzeiten können gleichzeitig verstellt werden, um eine Sollluftmenge des Zylinders vorzusehen.
Kurve (c) zeigt drei beispielhafte Zylinderluftdurchsatzmengen über einer Reihe von Verbrennungsvorgängen während Motorstartens und -stoppens. Während des Motorstoppens kann ein mechanischer Ventiltrieb mit festem Nocken ähnlich wie durch die Linie 402 beschriebene Art Luft ansaugen. Da die Ventilsteuerzeiten fest sind, kann der Zylinderluftdurchsatz größtenteils eine Funktion von Motordrehzahl sein. Der durch diese Linie beschriebene Zylinderluftdurchsatz ist der höchste der drei Beispiele. Der Zylinderluftdurchsatz unter Verwendung eines mechanischen Ventiltriebs mit festem Nocken während eines Starts kann durch das Liniensegment 409 beschrieben werden. 8 zeigt die Motorstoppforderung bei einem niedrigen Wert T₄, was Starten und Betreiben des Motors anzeigt, und die Drehzahlanhebung nach der Motorstoppforderung wurde zurückgenommen. Der Zylinder- und Motorluftdurchsatz steigt, wenn die Motordrehzahl steigt. Wenn der Zylinderluftdurchsatz steigt, während die Verbrennung gehemmt wird, kann durch den Motor gepumpter Sauerstoff Katalysatorstellen kühlen und/oder besetzen, die zum Reduzieren von NOx verwendet werden können. Folglich kann der Wirkungsgrad des Katalysators verringert werden. Wenn andererseits die Verbrennung bei niedrigen Zylinderluftdurchsätzen eingeleitet wird, kann es zu Fehlzündungen kommen. Daher kann es während eines Starts wünschenswert sein, den Zylinderluftdurchsatz zu beschränken und die Verbrennung zu hemmen, bis ein erwünschter Wert an Verbrennungsstabilität erreicht werden kann.
Linie 403 beschreibt ein Beispiel einer Zylinderluftdurchsatzsteuerung unter Verwendung eines Steuermechanismus für ein variables Ventil, der durch bestimmte Phasensteuerungsauflagen beschränkt werden kann. Zum Beispiel kann ein Ventilaktor auf einen bestimmten Ventilphasenbetrag bei einem konstanten Hubbetrag beschränkt werden. Das Ventilaktor-Phasenbetragsteuersignal (z.B. eines dualen Nacheilsystems). das durch die vierte Kurve (d) beschrieben wird, zeigt eine beispielhafte Trajektorie zum Senken des Zylinderluftdurchsatzes während eines Motorstopps. Nach einer Forderung, den Motor zu stoppen, kann die Ventilphase verstellt werden, um den Zylinderluftdurchsatz wie in Kurve (d) gezeigt zu senken, wobei niedrigere Werte ein stärkeres Nacheilen darstellen. Die Wirkung der Motordrehzahl und der Ventilphase auf den Zylinderluftdurchsatz sind in Linie 403 ersichtlich, die zwei ausgeprägte Segmente zeigt, die den Luftdurchsatz während eines Motorstopps beschreiben können. Das erste Segment nach einer Forderung zum Stoppen des Motors beschreibt die Wirkung von Motordrehzahlreduzierung und Ventilverstellungen. Das zweite ausgeprägte Liniensegment erfolgt, nachdem die durch die Kurve (d) beschriebene Ventilphase beendet ist (d.h. bei einem gewissen geänderten Phasenbetrag). Dieses Liniensegment zeigt, dass die Beschränkungen der Ventilaktorphase einen Motorluftdurchsatz durch den Motor nicht vollständig stoppen können, während der Motor dreht, dass aber der Zylinderluftdurchsatz verglichen mit einem mechanischen Ventiltrieb mit festen Steuerzeiten reduziert werden kann.
Während Motorstartens kann ein Ventilaktor beschränkter Phase so gesteuert werden, dass der Aktor von einer Teil- oder Minimal-Strömposition zu einer anderen Teil- oder Vollbereichs-Strömposition geschaltet werden kann. Durch Halten des Aktors bei einer Mindest-Strömposition kann der Luftdurchsatz durch den Motor während eines Starts gesenkt werden. Linie 415 zeigt zum Beispiel eine mögliche Strategie zur Luftdurchsatzreduzierung während des Startens. Der Zylinderluftdurchsatz kann reduziert sein, während die Motordrehzahl unter einem Ziel- oder Sollbetrag liegt, und dann auf einen Teil- oder Vollbetrag des Aktorbereichs angehoben werden, wenn die Motordrehzahl sich einer Zieldrehzahl nähert, zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl. Diese Strategie kann zu Zylinderluftdurchsatz führen, der durch die Linie 415 mit zwei Segmenten wiedergegeben wird.
Der Zylinderluftdurchsatz für einen Ventilaktor, der den Zylinderluftdurchsatz während eines Motorstopps auf nahezu Null reduzieren kann, kann durch die Linie 401 beschrieben werden. Diese Linie zeigt einen Motorluftdurchsatzbetrag, der eine Funktion von Motordrehzahl und Ventilphase sein kann. Wenn der Aktor die in Kurve (d) gezeigte Mindestposition erreicht, wird der Motorluftdurchsatz auf oder nahe Null reduziert. Die Linie 401 veranschaulicht, dass es möglich sein kann, die Zylinderluftmenge auf einen Wert zu senken, der niedriger als die durch Linie 402 (Ventiltrieb mit festem Nocken) und Linie 403 (Ventilaktor beschränkten Bereichs) beschriebene Menge ist.
Das Motorstarten kann durch Zulassen eines reduzierten oder keines Luftdurchsatzes durch einen Motor während des Starts weiter verbessert werden. Wie vorstehend beschrieben kann der Luftdurchsatz durch einen Motor während des Startens den Katalysatorwirkungsgrad mindern. Linie 408 veranschaulicht das Ergebnis einer Steuerstrategie für eine Motorluftdurchsatzmenge, die zum Senken der Sauerstoffmenge verwendet werden kann, die zu einem Katalysator während des Startens gepumpt werden kann. Im Einzelnen kann der Luftdurchsatz bis zu einer Soll- oder Zielmotordrehzahl beschränkt werden. Dann kann der Luftdurchsatz angehoben werden, bis ein Soll-Motor- oder Zylinderluftdurchsatz erreicht ist.
Kurve (d) zeigt ein Beispiel für eine Ventilphasentrajektorie, die zum Regeln von Motor- und/oder Zylinderluftdurchsatz verwendet werden kann. In diesem Beispiel wird der Ventilphasenbefehl von einem Anfangswert (weiter auf früh verstellt) bei T₁ zu einem (auf spät verstellten) Wert bei T₃ reduziert. Alternativ kann die Phasenreduzierung bei einem Zeitpunkt vor oder nach dem Zeitpunkt des Motorforderungsstopps beginnen. D.h. das Motorstoppen kann bei Bedarf verzögert werden, bis eine vorbestimmte Ventilphasenverstellung erreicht ist. Ferner muss der Ventilphasenbetrag nicht zu einer reduzierten/auf spät verstellten Position linear geneigt sein. Vielmehr kann die Phasenverstellung ein Schritt oder ein stufenweiser Übergang, ein exponentiell abklingender Übergang oder ein Übergang sein, der eine Kombination der vorstehend erwähnten Verfahren ist.
Wie vorstehend erwähnt, kann das Vergrößern der Ventilphase während eines Motorstarts verzögert werden, um Motorluftdurchsatz zu senken. Der durch 8 veranschaulichte Motorstart verzögert die Ventilphasenverstellung für den Zeitraum zwischen T₄ und T₅ und beendet die Verstellung bis T₇, wo die Sollmotordrehzahl erreicht ist. In diesem Beispiel kann die Verzögerungszeit vor der Ventilphasenverstellung (T₅ – T₄) aus dem Zeitbetrag ermittelt werden, der zum Beschleunigen des Motors von einem Stopp zu der Sollstartdrehzahl (T₄ auf T₇) erforderlich sein kann, minus der Zeit, die zum Bewegen des Ventilphasenaktors erforderlich sein kann. Analog zu der Stoppsequenz muss der Ventilphasenbetrag während eines Starts nicht zu einem weiter früh verstellten Phasenbetrag linear geneigt sein. Der Hub kann ein Schritt oder ein stufenweiser Übergang, ein exponentiell ansteigender Übergang oder ein Übergang sein, der eine Kombination der zuvor erwähnten Verfahren ist.
Wie vorstehend beschrieben kann es abhängig von der Ventilaktorauslegung auch möglich sein, die Ventilsteuerzeiten zum Steuern von Motor- und Zylinderluftdurchsatz zu verstellen. Die Ventilphase kann in der durch Kurve (d) gezeigten Weise verstellt werden. Die Ventilsteuerzeiten können aber auf früh oder spät verstellt werden, um den Betrag des Motorluftdurchsatzes abhängig von den Grundventilsteuerzeiten und dem Phasenbereich der Autorität zu senken.
Kurve (e) zeigt ein Beispiel der Kraftstoffzufuhrsteuerung während des Motorstoppens und -startens. Der Kraftstoff wird bei T₂ gestoppt, einer Position, die mit einer Motor- oder Zylinderluftmenge zusammenfallen kann, die eine untere Grenze für Luft angibt, die für einen Sollwert der Verbrennungsstabilität erforderlich ist. D.h. das Strömen von Kraftstoff kann gestoppt werden, wenn die Verbrennungsstabilität wahrscheinlich unter einem Sollwert liegt, wodurch Fehlzündungen reduziert werden. In diesem Beispiel kann der Kraftstoff bei einer Zylinderluftmenge, die bei Position 405 ermittelt wird, für einen Ventiltrieb gestoppt werden, der den Zylinderluftdurchsatz nahezu auf Null reduzieren kann, bei Position 406 für einen Ventiltrieb, der zu beschränkter Zylinderluftdurchsatzsenkung fähig ist, und bei Position 407 für einen Ventiltrieb, der mechanisch betätigte Ventile mit festen Nocken aufweist.
Die Kraftstoffsteuerung während eines Starts wird ebenfalls in Kurve (e) gezeigt. Bei T₆ kann Kraftstoff zugeschaltet werden, wobei eine Zunahme der Ventilphase einem Zylinder das Einlassen einer Luftmenge erlauben kann, die einen Sollwert der Verbrennungsstabilität erzeugen kann. Das Verzögern von Kraftstoff, bis ein Verbrennungsstabilitätswert erreichbar sein kann, kann Motoremissionen und Fahrerbeeinträchtigungen reduzieren, da die Anzahl an Zylinderfehlzündungen gesenkt werden kann. In diesem Beispiel kann Kraftstoff während eines Starts für einen Zylinderluftdurchsatz, der bei Position 419 ermittelt wird, für einen Ventiltrieb verzögert werden, der den Zylinderluftdurchsatz auf nahezu null senken kann, bei Position 411 für einen Ventiltrieb, der zu beschränkter Zylinderluftdurchsatzsenkung fähig ist, und bei Position 413 für einen Ventiltrieb mit mechanisch betätigten Ventilen mit festen Nocken.
Ein anderes Verfahren zum Starten eines variablen Ventiltriebs kann das Anheben der Motordrehzahl von einem Stopp auf eine vorbestimmte Drehzahl (d.h. Leerlaufdrehzahl) umfassen, während die Ventilphase auf einen verringerten Betrag gesetzt ist und während Strömen von Kraftstoff gestoppt wird. Bei oder nahe der vorbestimmten Sollmotordrehzahl kann das Strömen von Kraftstoff aktiviert werden und die Ventilphase kann vergrößert werden oder die Ventilphase kann verstellt werden, so dass die Verbrennung in einem oder mehreren Zylindern ausgelöst werden kann. Bei einem Motorstopp kann die Ventilphase mit anderen Worten zunächst auf einen voll auf spät verstellten Betrag gesetzt werden, und wenn der Motor eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, kann die Ventilphase (teilweise oder voll) auf früh verstellt werden, und dann kann die Kraftstoffeinspritzung weiter ablaufen. Die Einlass- und/oder Auslassventile können auf diese Weise gesteuert werden, doch Motorstarten kann schwieriger sein, wenn Strömen durch Auslassventile reduziert ist, da mehr Abgasreste in dem Zylindergemisch enthalten sein können. Auf diese Weise kann die Ventilsteuerung das Strömen von Sauerstoff zu einem Abgaskatalysator reduzieren oder stoppen, so dass der Wirkungsgrad des Katalysators verbessert werden kann. Ein verringerter Luftdurchsatz kann auch Motordrehmoment-Pulsationen und NHV aufgrund Verdichtungs-/Expansionsarbeit während des Abschaltens und/oder Neustartens reduzieren.
Zu beachten ist, dass in dem Beispiel eines Hybridantriebsstrangs das System zwei oder mehr mögliche Drehmomentabgabevorrichtungen aufweisen kann und die Kombination aus einem Verbrennungsmotor (IC) mit einem sekundären Energieversorgungssystem aufweisen kann. Zum Beispiel kann ein Hybridantriebsstrang eine Kombination aus einem IC-Motor und einem Elektromotor, einem IC-Motor und einem hydraulischen Energieversorgungssystem, einem IC-Motor und einem pneumatischen Energieversorgungssystem, einem IC-Motor und einer oder mehreren Energiespeicher-Schwungscheiben und verschiedene Kombinationen der zuvor erwähnten Systeme umfassen. Ferner ist es während eines Motorstopps nicht erforderlich, dass die Ventilphase von einem Maximal- zu einem Minimalbetrag verstellt wird. Die Ventilphase kann mit anderen Worten während der Stoppsequenz von einem ersten Betrag auf einen zweiten Betrag reduziert werden. Ferner kann die Wirkung, die die Phasenbetragverstellung auf den Motorluftdurchsatz hat, von Motordrehzahl, Ventilgeometrie und Anfangs- und/oder Endphasenverstellbeträgen abhängen. Analog ist es während eines Motorstarts nicht erforderlich, den Ventilphasenbetrag von einem minimalen Betrag zu einem maximalen Betrag anzuheben. Die Ventilphase kann von einem ersten Betrag zu einem zweiten Betrag angehoben werden. Weiterhin kann die Ventilphase der Ein- und Auslassventile auch separat während einer Motorstoppsequenz verstellt werden.
Unter Bezug auf 9 wird eine beispielhafte Sequenz gezeigt, die eine alternative Simulation eines Motorstopps und Motorstarts veranschaulicht. Die Signale und Kurven sind ähnlich wie in 8 gezeigt. 9 zeigt aber ein anderes Motorstartverfahren. Insbesondere wird ein Motorstarten mit Unterstützung durch einen Startermotor gezeigt.
Kurve (a) zeigt ein beispielhaftes Motorstopp-Befehlssignal. Wie vorstehend erwähnt kann der Befehl zum Stoppen auf verschiedene Weise erzeugt werden, darunter durch einen Fahrer oder ein Hybridantriebsstrangsteuergerät. Kurve (b) zeigt die Motordrehzahl während eines Stoppens und eines Startens. Die Motorstoppsequenz ist die gleiche wie in 8, doch ist in diesem Beispiel keine Motordrehzahlsteuerung durch einen großen sekundären Motor (z.B. einen elektrischen oder Hydraulikmotor) vorgesehen.
Die Motorstartdrehzahl wird auf der rechten Seite der Kurve (b) gezeigt. Die Figur zeigt das Ansteigen und Abflachen der Motordrehzahl zu einer Anlassdrehzahl (d.h. Anlasszeitraum) mittels eines Startermotors. Das Anlassen erfolgt in etwa während des Zeitraums zwischen T₄ und T₆. Nach Einleiten von Kraftstoff bei Position T₆ beginnt die Motordrehzahl aus der sich ergebenden Verbrennung im Zylinder anzusteigen. Nach Anlaufen (d.h. dem Intervall zwischen Motoranlassdrehzahl und Motorleerlaufdrehzahl, bei der der Motor beschleunigt) stabilisiert sich die Motordrehzahl bei einem vorbestimmten Wert, zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl. Es ist aber nicht erforderlich, dass die Motordrehzahl bei Leerlaufdrehzahl bleibt, die Motordrehzahl kann sich nach dem Anlaufzeitraum als Reaktion auf Bedienerforderung ändern.
Kurve (c) zeigt den Zylinderluftdurchsatz über einer Reihe von Verbrennungsvorgängen während des Startens und Stoppens des Motors. Die Zylinderluftdurchsatz-Linien 501, 502 und 503 zeigen jeweils Zylinderluftdurchsätze für einen Ventiltrieb, der das Strömen auf oder nahe auf Null reduzieren kann, einen mechanisch angetriebenen Ventiltrieb mit festen Nocken und einen Ventiltriebaktor mit einem beschränkten Autoritätsbereich. Das Strömen von Kraftstoff wird bei einem Zylinderluftdurchsatz gestoppt, der durch die jeweiligen Zylinderluftdurchsatzkurven an den Positionen 505, 507 und 506 wiedergegeben wird.
Ähnlich der durch 8 veranschaulichten Sequenz kann eine Motorluftmenge während einer Stoppsequenz reduziert werden, so dass verbrannte Gase weiter einen Katalysator erwärmen und ihm Abgase liefern. Die verbrannten Gase strömen zu dem Katalysator, bis ein vorbestimmter Sollwert der Verbrennungsstabilität nicht erreicht werden kann. Ferner kann Luftdurchsatz verringert werden, bis eine erwünschte Ventilphase erreicht ist.
Bei Starten mittels eines Starter-Anlassverfahrens kann der Zylinderluftdurchsatz für jeweilige Ventiltriebe durch die Linien 508, 509 und 515 veranschaulicht werden. Der Zylinderluftdurchsatz für einen Ventiltrieb mit mechanisch betätigten Ventilen mit festen Nocken entspricht Linie 509, ein Ventiltriebaktor mit beschränktem Autoritätsbereich kann durch Linie 515 wiedergegeben werden und ein Ventiltriebaktor, der zu Zylinderluftdurchsatz auf oder nahe auf Null fähig ist, kann durch Linie 508 wiedergegeben werden. Das Strömen von Kraftstoff wird bei einem Zylinderluftdurchsatz gestartet, der durch die jeweiligen Zylinderluftdurchsatzkurven an den Positionen 513, 516 und 511 wiedergegeben wird.
Die Kurve (d) zeigt einen beispielhaften Ventilaktor-Phasenbetrag während des Stoppens und Startens des Motors. Die Reduzierung des Zylinderluftdurchsatzes durch Verstellen eines Ventilaktors beginnt bei T₁, übereinstimmend mit dem Motor-Stoppbefehl, und endet bei T₃.
Auf der rechten Seite der Kurve (d) wird eine Ventilaktorverstellung während eines Starts gezeigt. In diesem Beispiel wird die Ventilverstellung eine Zeit lang nach Rücknahme der Forderung zum Stoppen des Motors verzögert. Die Verzögerungszeitdauer kann null sein oder kann eine Funktion der Zeit zum Erkennen zum Beispiel der Motorposition, der Motorposition bei Start, der Zeit zum Druckbeaufschlagen des Kraftstoffzufuhrsystems, der Motortemperatur oder einer anderen Motor- oder Fahrzeugbetriebsbedingung sein.
Die Kurve (e) von 9 veranschaulicht die Steuerung der Aktivierung des Strömens von Kraftstoff während des Stoppens und Startens des Motors. Während dieser beispielhaften Motorstoppsequenz wird Kraftstoff an der Position T₂ gestoppt, die einer Zylinderluftfüllung bei Position 505 der Kurve entspricht, die ein Verfahren zum Steuern eines Ventilaktors darstellt, der zu null oder nahezu null Zylinderluftdurchsatz fähig ist. Die Positionen 506 und 507 stellen Luftfüllungsmengen dar, die Position 505 entsprechen, wobei verschiedene Ventilbetätigungsverfahren verwendet werden, doch die Zeit, die zum Erreichen dieser Zylinderluftfüllungswerte erforderlich ist, kann erhöht werden, da die Zylinderluftmenge bei einer niedrigeren Geschwindigkeit reduziert wird. Folglich kann in anderen Beispielen die Deaktivierung des Strömens von Kraftstoff um den Zeitbetrag verzögert werden, der zum Erreichen der Zylinderluftmenge erforderlich sein kann, die einen Sollwert der Verbrennungsstabilität darstellt. Dieses Verfahren kann zum Senken des Motordrehmoments verwendet werden, während dem Katalysator ein verbranntes Gemisch geliefert wird, und kann die Luftmenge senken, die während eines Motorstopps zu dem Katalysator gepumpt werden kann. Ein verringerter Luftdurchsatz kann aufgrund von Verdichtungs-/Expansionsarbeit während des Abschaltens und/oder Neustartens auch Motordrehmoment-Pulsationen und NHV senken.
Die Aktivierung des Strömens von Kraftstoff während eines Starts wird durch die rechte Seite von Kurve (e) gezeigt. An Position T₆ wird Kraftstoff aktiviert, diese Position entspricht der Zylinderluftmenge 516, die einen Sollwert der Verbrennungsstabilität liefern kann. Die Zylinderluftmengen an den Positionen 513 und 511 haben den gleichen Wert wie die Zylinderluftmenge bei Position 516, doch werden die Zylinderluftfüllungswerte vor dem Zeitpunkt erreicht, da die Zylinderluftfüllung bei Position 516 erreicht ist. Während des Anlassens und Anlaufens kann mit anderen Worten mehr Luft durch einen Motor mit einem mechanisch betätigten Ventiltrieb mit festen Nocken oder durch einen verstellbaren Ventiltrieb mit beschränktem Bereich strömen als durch einen Ventilaktor, der zu null oder nahezu null Zylinderluftdurchsatz fähig ist. Das Reduzieren des Luftdurchsatzes durch den Motor während des Anlassens und Anlaufens kann Motoremissionen senken. Zum Beispiel kann während eines Starts Kraftstoff verzögert werden, so dass das Motorsteuergerät Zeit hat, die Motorposition zu ermitteln und einem ausgewählten Zylinder eine Kraftstoffmenge zu liefern. Durch Verzögern des Strömens von Kraftstoff während eines Starts können aber einige Zylinder Luft durch den Motor pumpen, wodurch der Katalysator gekühlt und/oder mit Sauerstoff versorgt wird, wodurch möglicherweise der Katalysatorwirkungsgrad während eines folgenden Neustarts reduziert wird.
Unter Bezug auf 10 wird ein Flussdiagramm einer beispielhaften Motorstoppsequenz für einen Motor mit variablem Ventiltrieb gezeigt. Während eines Motorabschaltens (d.h. einer Motorstoppsequenz) werden manche Motoren durch unmittelbares Stoppen von Kraftstoffströmen und Zündung für die Motorzylinder gestoppt. Nach Stoppen des Strömens von Kraftstoff kann der Motor weiter drehen, wenn die Motordrehzahl sinkt. Folglich kann Luft, die nicht an Verbrennung beteiligt war, von dem Ansaugkrümmer zu der Abgasanlage und durch einen Katalysator gepumpt werden. Dies kann Motoremissionen steigern, wenn der Motor erneut gestartet wird, da die Luft den Katalysator kühlen kann und/oder der Sauerstoff in der Luft Katalysatorstellen belegen kann, die ansonsten zum Reduzieren von NOx verwendet werden könnten.
Bei Schritt 601 ermittelt die Routine, ob eine Forderung zum Stoppen des Motors erfolgt ist. Wenn keine Forderung zum Stoppen des Motors erfolgt ist, endet die Routine. Die Routine von 10 kann bei vorbestimmten Zeiten oder als Reaktion auf einen Motor- oder Steuergerätvorgang wiederholt ausgeführt werden, so dass Ventilverstellungen mühelos vorgenommen werden können. Ist eine Forderung erfolgt, geht die Routine weiter zu Schritt 602.
Bei Schritt 602 kann die Motordrehzahl reduziert werden und auch der Zylinderluftdurchsatz kann durch Verstellen eines Ventilaktormechanismus gesenkt werden. In einer Ausführung kann der Ventilphasenbetrag verstellt werden, um die Zylinderfüllungsmasse zu senken, wodurch das verfügbare Zylinderdrehmoment gesenkt wird. Die Einlass- und/oder Auslassventilöffungs- und/oder Schließpositionen bezüglich einer Kurbelwellenposition können zum Beispiel verstellt werden, um die Zylinderfüllungsmasse zu senken. Die Verstellungen der Ventilphase können gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Die Kraftstoffverstellung kann proportional zur Zylinderluftmengenverstellung erfolgen oder kann eine Funktion von Motorbetriebsbedingungen sein, wie zum Beispiel Motortemperatur und Zeit seit dem Starten.
Es können eine Reihe unterschiedlicher Verfahren verwendet werden, um den Ventilaktor zu verstellen (z.B. Ventilöffnungs- oder Ventilschließphase), so dass die Zylinderluftfüllung oder/oder das Motordrehmoment während eines Motorstopps gesenkt werden können. In einer Ausführung können die Ventilöffnungs- und Ventilschließpositionen zum Beispiel um 100 Kurbelwinkelgrad pro Sekunden auf spät oder früh verstellt werden, so dass die angesaugte Luftfüllung gesenkt werden kann. In einer noch anderen Ausführung kann der Ventilhub als weitere Reaktion auf zum Beispiel Motorbetriebsbedingungen, Luftdruck und/oder Solldrehmoment verstellt werden.
In einem Beispiel können die Einlassventilsteuerzeiten verstellt werden, während die Auslassventilsteuerzeiten fest sein können, so dass die Auslassventilöffnungs- und Auslassventilschließpositionen bekannt sind. In diesem Beispiel und weiteren Beispielen kann das in der U.S. Patentanmeldung 10/805642 beschriebene Verfahren verwendet werden, um die Zylinderluftmenge nach einer Forderung zum Stoppen eines Motors zu bestimmen, und die Anmeldung wird hiermit durch Erwähnung vollständig übernommen. Einzelne Zylinderluftmengen können aus Zylinderdruck ermittelt werden, der durch folgende Gleichung mit dem Motordrehmoment in Beziehung gesetzt werden kann:
Hierbei ist IMEP_cyl der angegebene mittlere wirksame Druck des Zylinders, Γ_brake ist das Motorbremsdrehmoment, Γ_{friction_total} ist das gesamte Reibungsdrehmoment des Motors, Γ_{pumping_total} ist das gesamte Motorpumpdrehmoment, Γ_{accessories_total} ist das gesamte Zubehördrehmoment des Motors, Num_cyl_Act ist die Anzahl aktiver Zylinder, V_D ist das Verdrängungsvolumen aktiver Zylinder, SPKTR ist ein Drehmomentverhältnis basierend auf dem vom minimalen besten Drehmoment (MBT) auf spät verstellten Zündwinkel, d.h. der minimale Betrag der Zündwinkelvorverstellung, der den besten Drehmomentbetrag erzeugt. Durch Reduzieren des Motorbremsdrehmoments kann die Motordrehzahl während eines Stopps gesenkt werden.
Der Begriff SPKTR kann auf folgender Gleichung beruhen:
Wobei Γ_ΔSPK das Drehmoment bei einem Zündwinkel ist, der von der minimalen Zündung für bestes Drehmoment (MBT) auf spät verstellt ist, Γ_MBT das Drehmoment bei MBT ist. Der Wert von SPKTR kann abhängig von dem Verstellen der Zündung auf spät vom MBT von 0 bis 1 reichen.
Eine einzelne Zylinderkraftstoffmasse kann in einem Beispiel für jeden Zylinder durch folgende Gleichung ermittelt werden: mf = C0 + C1·N + C2·AFR + C3·AFR2 + C4·IMEP + C5·IMEP2 + C6·IMEP·N
Hierbei ist m_f die Kraftstoffmasse, C₀–C₆ sind gespeicherte, vorbestimmte, rückgeführte Polynomialkoeffizienten, N ist die Motordrehzahl, AFR ist das Kraftstoff-/Luftverhältnis und IMEP ist der angegebene mittlere wirksame Druck. Es können basierend auf der Sollkurvenanpassung und der Strategiekomplexität zusätzliche oder weniger polynomiale Terme bei der Regression verwendet werden. Zum Beispiel könnten Polynomialterme für Motortemperatur, Luftfüllungstemperatur und Höhe ebenfalls aufgenommen werden.
Eine Sollluftfüllung kann aus der Sollkraftstofffüllung ermittelt werden. In einem Beispiel kann ein vorbestimmtes Luft-/Kraftstoffgemisch (basierend auf Motordrehzahl, Temperatur und Motorlast) mit oder ohne Abgassensor-Rückmeldung zum Ermitteln eines Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnisses verwendet werden. Die oben ermittelte Kraftstoffmasse kann mit dem vorbestimmten Kraftstoff-/Luftverhältnis multipliziert werden, um eine Soll-Zylinderluftmenge zu ermitteln. Die Sollmasse von Luft kann aus folgender Gleichung ermittelt werden: ma = mf·AFR
Hierbei ist m_a eine Sollmasse von in einen Zylinder eintretender Luft, m_f ist die Sollmasse von in einen Zylinder eintretenden Kraftstoff und AFR ist das Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis.
In einem Beispiel können die Ventilsteuerzeiten, die zum Einleiten der Sollluftmenge in einen Zylinder verwendet werden können, durch das in dem U.S. Patent 6,850,831 beschriebene Verfahren ermittelt werden, welches hiermit durch Erwähnung vollständig übernommen wird. Die Einlassventilschließposition kann die Zylinderluftmenge zumindest während manchen Bedingungen beeinflussen, da die angesaugte Zylinderluftmenge mit dem Zylindervolumen bei IVC und dem Druck im Ansaugkrümmer in Beziehung gesetzt werden kann. Daher kann das Zylindervolumen, das die Sollmasse an Luft im Zylinder halten kann, so bestimmt werden, dass die IVC-Position festgestellt werden kann. Das Zylindervolumen während des Ansaug- und/oder Verdichtungstakts, das die Sollluftmasse bei einem vorgegebenen Ansaugkrümmerdruck halten kann, kann mit anderen Worten in einen einzigartigen Kurbelwellenwinkel aufgelöst werden, wobei der Winkel IVC beschreibt. Das Zylindervolumen bei IVC für eine Sollmasse an Luft, die in einen Zylinder eindringt, kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:
Hierbei ist ρ_a,IVC die Dichte von Luft bei IVC, V_a,IVC ist das Volumen von Luft in dem Zylinder bei IVC. Die Dichte von Luft bei IVC kann durch Anpassen der Dichte von Luft zum Berücksichtigen der Änderung von Temperatur und Druck bei IVC durch die folgende Gleichung ermittelt werden:
Hierbei ist ρ_amb die Dichte von Luft bei Umgebungsbedingungen, T_amb ist die Umgebungstemperatur, T_IVC ist die Temperatur von Luft bei IVC, P_IVC ist der Druck in dem Zylinder bei IVC und P_am ist der Umgebungsdruck. In einem Beispiel kann, wenn IVC vor dem unteren Totpunkt (UT) eintritt, der Druck in dem Zylinder bei IVC durch Differenzieren des idealen Gasgesetzes unter Bildung folgender Gleichung ermittelt werden:
Hierbei ist P_IVC der Zylinderdruck, V ist das Zylindervolumen bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel, R ist die universale Gaskonstante und ṁ ist die Strömgeschwindigkeit in den Zylinder geschätzt durch:
Hierbei ist C_D der Ventilkoeffizient des Ablasses, A_valve(θ) ist die wirksame Ventilfläche als Funktion des Kurbelwinkels θ, P_run ist der Krümmerrohrdruck, der als Krümmerdruck bei niedrigeren Motordrehzahlen angenommen werden kann, und γ ist das Verhältnis spezifischer Wärmen. C_D ist kalibrierbar und kann empirisch ermittelt werden.
Die wirksame Ventilfläche A_valve(θ) kann abhängig vom Ventilhubbetrag variieren. Das Ventilhubprofil kann mit den Ventilmaßen kombiniert werden, um die wirksame Fläche A_valve(θ) mittels der folgenden Gleichung zu schätzen: Avalve(Θ) = L(Θ)·2·π·d
Hierbei ist L(θ) der Ventilhubbetrag, der empirisch durch Berücksichtigen der Zylinderfüllungsbewegung, der Verbrennungsstabilität, der minimalen Ventilöffnungs- und Ventilschließdauer und Emissionen ermittelt werden kann.
Das Volumen des Ansauggemisches bei IVC kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden:
Wobei f_air der Anteil von Luft im Ansauggemisch ist, V_a,IVC wie oben beschrieben das von Luft bei IVC eingenommene Zylindervolumen ist und F_e der Anteil an verbranntem Gas im Abgaskrümmer ist, der durch in der Literatur beschriebene Verfahren ermittelt werden kann. Bei stöchiometrischen oder fetten Bedingungen kann F_e gleich eins gesetzt werden. F_air lässt sich ermitteln aus:
Wobei AFR das Kraftstoff-/Luftverhältnis ist und F_i der Anteil verbrannten Gases im Einlasskrümmer ist. F_i kann durch in der Literatur beschriebene Verfahren geschätzt werden. Das von dem Gesamtgemisch bei IVC eingenommene Volumen kann durch folgende Gleichung ermittelt werden: VIVC = Vi,IVC – Vcl + Vr,IVC
Wobei V_cl das Zylinderkompressionsvolumen ist, V_r,IVC das Restvolumen bei IVC ist und V_IVC das gesamte Zylindervolumen bei IVC ist. Das von Restgas bei IVC eingenommene Volumen lässt sich beschreiben durch:
Hierbei ist T_IVC die Temperatur bei IVC, die durch eine Regression der Form T_IVC = f(N, m_f, θ_OV) approximiert werden kann. Wobei N die Motordrehzahl, m_f die Kraftstoffströmrate und θ_OV Ventilüberschneiden ist. T_exh ist die Temperatur im Abgaskrümmer, P_exh ist der Druck im Abgaskrümmer, V_cl ist das Zylinderkompressionsvolumen, P_IVC ist der Druck im Zylinder bei IVC und V_r,EVC ist das Restvolumen bei EVC (Auslassventilschließen, vom englischen Exhaust Valve Closing). In einem Beispiel, bei dem IVO vor EVC liegt und EVC und IVO nach dem OT liegen, kann V_r,EVC beschrieben werden durch:
Hierbei wird das Integral von IVO zu EVC beurteilt und hierbei sind A_i und A_e die wirksamen Flächen der Einlass- und Auslassventile für θ∈(θ_IVO, θ_EVC), die in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben für A_valve(Θ) ermittelt werden können. In diesem Beispiel kann ein vorbestimmter Ventilhub verwendet werden, um eine wirksame Fläche des Einlassventilöffnens zu beschreiben. Die Einlassventilfläche kann als Funktion von Θ verändert werden, so dass für eine bestimmte Zylindertemperatur und Druck ein Sollmassenteil von AGR im Zylinder zurückgehalten wird, wobei er ein V_r,EVC verdrängt.
Das Zylindervolumen minus dem Kompressionsvolumen bei IVC kann dann verwendet werden, um die Einlassventilschließposition durch Lösen der folgenden Gleichung für θ zu ermitteln:
Auf diese Weise können Ventilhub, IVC und IVO durch Berücksichtigen von AGR und Sollluftmenge ermittelt werden.
Ferner kann bei Schritt 602 auch Motorkraftstoff eingestellt werden, so dass ein Soll-Abgas-Kraftstoff-/Luft-Gemisch erreicht werden kann. Während gewisser Bedingungen kann das Abgas-Kraftstoff-/Luft-Gemisch fett oder stöchiometrisch sein. Wenn zum Beispiel ein Motor gestoppt wird, nachdem er warm ist, und wenn es eine höhere Wahrscheinlichkeit gibt, dass der Motor neustarten wird, wie bei manchen Hybridfahrzeuganwendungen, kann das Kraftstoff-/Luftgemisch hin zu Stöchiometrie geregelt werden, so dass die Wahrscheinlichkeit verringert wird, einen Abgasanlagenkatalysator zu beeinträchtigen. Die Routine rückt zu Schritt 603 vor.
Bei Schritt 603 erfolgt eine Entscheidung, weiter die Zylinderluftmenge zu reduzieren oder zu einem Schritt vorzurücken, der das Strömen von Kraftstoff zum Motor stoppen kann. Wenn die aus Schritt 602 ermittelten Ventilsteuerzeiten eine Zylinderluftmenge einlassen, die für einen Sollwert der Verbrennungsstabilität eventuell nicht ausreicht, rückt die Routine zu Schritt 604 vor. Wenn eventuell die Zylinderluftmenge über einer Menge liegt, die einen Sollwert der Verbrennungsstabilität unterstützt, kehrt die Routine zu Schritt 602 zurück.
Bei Schritt 604 kann das Strömen von Kraftstoff zum Motor oder Zylinder gestoppt werden. Da die Zylinderluftmenge auf einen Wert verstellt werden kann, der unter einem Sollverbrennungsstabilitätsgrenzwert liegen kann, kann es wünschenswert sein, das Strömen von Kraftstoff zum Motor oder zu den einzelnen Zylindern zu stoppen. Das Strömen von Kraftstoff kann gestoppt werden, wenn mindestens eine Zylinderluftmenge eventuell unter einer Sollmenge liegt, oder Kraftstoff kann in einzelnen Zylindern gestoppt werden, wenn die Luftmenge der jeweiligen Zylinder eventuell unter einer Sollmenge reduziert ist. Wenn das Strömen von Kraftstoff auf der Basis einzelner Zylinder gestoppt wird, kann die Ventilphase in den Zylindern, die eventuell nicht unter einer Sollzylinderluftmenge liegt, weiter verstellt werden.
Bei Schritt 604 kann auch die Zündung deaktiviert werden, bevorzugt nach Verbrennen des letzten Kraftstoff-/Luftgemisches. Die Zündung kann unmittelbar nach Verbrennen des letzten eingespritzten Kraftstoffs deaktiviert werden oder sie kann nach einer vorbestimmten Anzahl an Zylinderzyklen deaktiviert werden. Durch Verzögern der Zünddeaktivierung kann es möglich sein, Kraftstoff zu verbrennen, der zum Beispiel eventuell von einer Ansaugkrümmer-Pfütze in den Zylinder hinein gesaugt wird. Die Routine geht weiter zu Schritt 605.
Bei Schritt 605 kann die Ventilphase beurteilt werden, um zu ermitteln, ob weitere Verstellungen erwünscht sind. Wenn sich die Ventilphase nicht bei einer erwünschten Position geringen Strömens befindet, kehrt die Routine zu Schritt 604 zurück, wo eine weitere Ventilaktorverstellung angeordnet werden kann. Wenn sich die Ventilphase bei einer erwünschten Position geringen Strömens befindet, kann die Routine zu Schritt 606 vorrücken.
Bei Schritt 606 kann die Ventilphase in einer Nacheilphasenstellung gehalten werden. Typischerweise können variable Ventilaktoren mit minimaler Phasenposition ausgelegt werden. In dieser Position kann die Ventilphase im Verhältnis zum Beispiel zum OT auf früh oder spät verstellt werden. Folglich können bei diesem Schritt Ventilbetriebsbefehle basierend auf der Aktorauslegung strukturiert werden, so dass ein reduziertes Strömen, einschließlich null Strömen, durch den Zylinder tritt, wenn der Motor auf null Drehzahl abbremst.
Durch Regeln der Ventile zu einer Phase, die Zylinderströmen senkt, kann der durch den Motor zu einem Katalysator gepumpte Sauserstoff verringert werden. Wie vorstehend erwähnt kann das Reduzieren von Sauerstoffströmen zu einem Katalysator die Motoremissionen während eines anschließenden Starts verbessern, da der Katalysatorzustand einen Sollwert an Oxidantien aufrechterhalten kann. Durch Regeln der Sauerstoffmenge, die in einem Katalysator gespeichert werden kann, können katalytische Reaktionsstellen sowohl für Oxidations- als auch Reduktionsreaktionen verfügbar sein, wodurch die Möglichkeit des Umwandelns von HC, CO und NOx während eines anschließenden Neustarts erhöht wird. Wenn dagegen die an dem Katalysator gespeicherte Sauerstoffmenge größer als erwünscht ist, kann die NOx-Reduktionsfähigkeit des Katalysators verringert sein, da manche Reduktionsstellen von Sauerstoff besetzt sein können. Ein reduzierter Luftdurchsatz kann ebenfalls Motordrehmoment-Pulsationen aufgrund Verdichtungs-/Expansionsarbeit während Abschaltens und/oder Neustartens verringern. Die Routine rückt zu Schritt 607 vor.
Bei Schritt 607 wird die Motordrehzahl mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Wenn die Motordrehzahl unter einem vorbestimmten Wert, vlv_lim, liegt, endet die Routine. Wenn die Routine endet, können die Ventilaktoren auf eine Sollposition gesetzt werden, so dass Luftdurchsatz und die Kühlung und der Sauerstoff, den er zu einem Katalysator bringen kann, verringert sein können. Wenn die Motordrehzahl über dem vorbestimmten Wert liegt, kehrt die Routine zu Schritt 606 zurück.
Unter Bezug auf 11 wird ein beispielhaftes Flussdiagramm einer Motorstartsequenz für einen Motor mit einem variablen Ventiltrieb gezeigt.
Nach Stoppen eines Motors kann das Strömen von Sauerstoff zu einem Katalysator den chemischen oder physikalischen Zustand des Katalysators so ändern, dass Motoremissionen während eines anschließenden Neustarts ansteigen können. D.h. es kann möglich sein, einen Motor zu stoppen, wenn die Katalysatorchemie für das Umwandeln von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid oder Stickstoffoxiden vorteilhaft sein kann. Wenn man aber die in dem Katalysator gespeicherte Sauserstoffmenge während eines Motorstoppzeitraums oder während des Startens größer werden lässt, kann dies den NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators mindern, da das Strömen von Sauerstoff zu einem Katalysator die Katalysatortemperatur senken kann und da gespeicherter Sauerstoff bevorzugt zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid verwendet werden kann. Folglich kann NOx durch den Katalysator treten, ohne reduziert zu werden, da mögliche Reduktionsstellen eventuell von Sauerstoff besetzt sind, der durch den Motor gepumpt worden sein kann. Das Verfahren von 11 kann Motoremissionen durch Senken der durch einen Motor während eines Starts gepumpten Sauerstoffmenge senken. Ein verringerter Luftdurchsatz kann ebenfalls aufgrund von Verdichtungs-/Expansionsarbeit während des Abschaltens und/oder Neustartens Motordrehmoment-Pulsationen und NVH senken.
Weiter mit 11 ermittelt die Routine bei Schritt 701, ob eine Forderung zum Starten des Motors erfolgt ist. Wenn keine Forderung zum Starten des Motors erfolgt ist, kann die Routine enden. Die Routine von 11 kann auch wiederholt bei vorbestimmten Zeiten oder als Reaktion auf ein Motor- oder Steuergerätbetriebsereignis ausgeführt werden, so dass Ventilverstellungen problemlos vorgenommen werden können. Liegt eine Forderung zum Starten des Motors vor, rückt die Routine zu Schritt 703 vor.
Während dieses Schritts können die Ventile auch zu einer anfänglichen Position. einer vorbestimmten Ventilphase (z.B. eine Nacheilphase) hin geordert werden, wo ein Strömen durch den Zylinder bei Bedarf verringert werden kann, wenn der Motor dreht. Die Ventile können aber in einer Position geringen Strömens gehalten werden (z.B. Schließen aller Ventile, Schließen der Einlassventile oder Schließen der Auslassventile), während der Motor gestoppt wird, um Strömen von Sauerstoff zu einem Katalysator weiter zu reduzieren.
Bei Schritt 703 erhöht die Routine die Motordrehzahl und ermittelt, wann sie mit dem Verstellen der Ventilphase beginnen soll. In einem Beispiel nutzt der elektrische Motor eines Hybridfahrzeugs mindestens einen Teil der Leistung des elektrischen Motors zum Drehen eines Verbrennungsmotors. Die Motordrehzahl kann bei Bedarf in linearer Weise auf eine Solldrehzahl gesteigert werden.
Das Ventilverstellungssteuerungsschema kann durch Subtrahieren der Zeit, die der Ventilaktor zum Bewegen von einer anfänglichen Position zu einer Sollposition vev_Δ benötigt, von der Zeit des Beschleunigens des Motors von einem Stopp zu einer Solldrehzahl ΔT gelöst werden. D.h. Die Ventilverstellungs-Startzeit kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: T_strt_vlv = ΔT – vev_ΔT
8 kann zum Veranschaulichen dieses Verfahrens der Ventilaktorsteuerung dienen. Die Startsequenz beginnt bei der durch die vertikale Linie T₄ dargestellten Zeit, und der Motor erreicht eine Solldrehzahl bei der Zeit T₇. Dies ist die Zeit ΔT. Die Zeit zum Bewegen des Ventilaktors zu einer Sollposition ist die Zeit zwischen T₅ und T₇, vev_ΔT, und kann zum Beispiel eine Funktion von Motoröltemperatur und/oder Batteriespannung sein. Der Motor dreht von T₄ zu T₅, bevor sich der Ventilaktor zu der Sollposition zu bewegen beginnt. Auf diese Weise kann der Luftdurchsatz durch den Motor während eines Motorstarts verringert sein, da die Ventile zu einer Position geringen Strömens geregelt sind, während die Motordrehzahl steigt und die Zylinder eventuell Luft durch den Motor pumpen. Die Routine geht weiter zu Schritt 705.
Es ist auch möglich, die Einlass- und Auslassventilphase separat während eines Starts zu verstellen, so dass durch einen Motor gepumpte Luft reduziert werden kann. Die Auslassventilphase kann zum Beispiel zunächst auf eine auf spät oder voll spät eingestellte Position gesetzt sein und dann angehoben werden, wenn die Motordrehzahl steigt. Durch Verstellen der Phase bei niedrigerer Motordrehzahl kann zumindest für einen Teil des Startintervalls weniger Luft in den Abgaskrümmer gepumpt werden. Wenn die Motordrehzahl steigt und wenn die Motorposition ermittelt ist, kann die Auslassventilphase auf früh verstellt werden, so dass verbrannte Gase in die Abgasanlage ausgestoßen werden können. Dieses Verfahren kann nach einem längeren Abschaltzeitraum des Motors vorteilhafter als nach einem kürzeren Abschaltzeitraum des Motors sein, da weniger Abgasreste in dem Zylinder zurückgehalten sein können.
Bei Schritt 705 steigt die Motordrehzahl weiter und der variable Ventiltrieb kann bei einer konstanten Aktorposition gehalten werden. D.h. das Ventil kann bei einer minimalen oder Strömung reduzierenden Position gehalten werden. Dieses Verfahren kann es dem Motor ermöglichen, eine Solldrehzahl ohne reduziertes Strömen durch den Zylinder zu erreichen. Die Routine rückt zu Schritt 707 vor.
Bei Schritt 707 kann eine Entscheidung erfolgen, das Verstellen des variablen Ventilaktors zu beginnen. Wenn die Ventilstartzeit überschritten ist, rückt die Routine zu Schritt 709 vor. Wenn nicht, kehrt die Routine zu Schritt 705 zurück.
Bei Schritt 709 kann der variable Ventiltrieb verstellt werden, während die Motordrehzahl angehoben wird. Der Zylinderluftdurchsatz kann durch Verstellen der Ventilphase vergrößert werden. Die Verstellung kann abhängig von den Zielen bei einer konstanten oder variablen Rate erfolgen. Weiterhin kann die Verstellungsrate auf Zeit (z.B. Millimeter pro Sekunde) oder Motordrehzahl basieren. Alternativ kann die Ventilphase verstellt werden, um ein Sollzylinder- oder Motordrehmoment zu erzeugen oder eine Sollzylinderluftfüllung einzulassen. Die Routine rückt zu Schritt 715 vor.
Bei Schritt 715 kann basierend auf Motordrehzahl eine Entscheidung erfolgen, die Ventiltriebverstellung fortzusetzen oder zu Schritt 717 vorzurücken. Wenn die Motordrehzahl unter einem vorbestimmten Sollbetrag liegt, kehrt die Routine zu Schritt 709 zurück. Wenn die Motordrehzahl über einem vorbestimmten Betrag liegt, geht die Routine weiter zu Schritt 717.
Bei Schritt 717 kann eine Entscheidung erfolgen, die Ventiltriebverstellung fortzusetzen oder zu Schritt 713 vorzurücken. Wenn der variable Ventiltrieb sich bei einer erwünschten Position befindet, rückt die Routine zu Schritt 713 vor. Wenn nicht, kehrt die Routine zu Schritt 709 zurück.
Zu beachten: die Schritte 715 und 717 können zu einem einzigen Schritt kombiniert werden, der es der Routine erlaubt, zu Schritt 717 vorzurücken, wenn sich sowohl die Motordrehzahl bei einem erwünschten Wert befindet als auch wenn sich der variable Ventiltrieb bei einer erwünschten Phase befindet. Wenn nicht, würde die Routine zu Schritt 709 zurückkehren.
Bei Schritt 713 kann der Zylinderkraftstoff aktiviert werden und die Position des variablen Ventiltriebs kann gehalten werden. Durch Verzögern von Kraftstoff, bis ein Sollbetrag an Zylinderluftdurchsatz vorliegen kann, können Fehlzündungen gesenkt werden. Weiterhin kann das Verzögern der Ventilverstellung, bis sich der Motor bei einer Solldrehzahl befindet, die zu einem Katalysator gepumpte Luft senken und kann die Motoremissionen während des Neustartens verbessern.
Die Zylinderzündung kann auch bei Schritt 713 erneut ausgeführt werden, so dass der eingespritzte Kraftstoff verbrannt werden kann. Die Routine rückt zum Ende vor.
In einem anderen Beispiel kann ein durch 9 veranschaulichtes Ventilverstellungssteuerschema verwendet werden. In diesem Beispiel kann der Motor durch einen Startermotor gedreht werden, der den Motor bei niedrigeren Drehzahlen, zum Beispiel 300 U/min. oder weniger, drehen kann.
Die Startsequenz beginnt bei T₄ und der Motor befindet sich bei T₇ bei einer Solldrehzahl. Die Zeit zum Verstellen des Ventilaktors wird zwischen der Zeit T₅ und der Zeit T₇ gezeigt. In diesem Beispiel beginnt der Ventilaktor nicht vor der Position T₅, die Ventilphase zu verstellen. Die Verzögerungszeit zwischen T₄ und T₅ kann mit der Zeit in Verbindung stehen, die zum Synchronisieren des Motorsteuergeräts mit der Motorposition erforderlich ist, und/oder die Verzögerungszeit kann eine Funktion von Motoröltemperatur und/oder Batteriespannung, Motorreibung, Motordrehzahl und/oder einer anderen mit dem Motor verbundenen Variablen sein. Wie vorstehend erwähnt kann der Luftdurchsatz durch den Motor während eines Motorstarts verringert sein, da das Ventil zu einer Position reduzierten Strömens befohlen wurde.
In einer noch anderen Ausführung kann die Ventilverstellung zusammenfallend mit oder um einen vorbestimmten Zeitbetrag verzögert zur anfänglichen Motordrehung beginnen. Wenn der Ventilaktor eine Position erreicht, die einen Sollwert der Verbrennungsstabilität unterstützen kann, und/oder ein Zylinder eine Sollluftmenge einlässt, kann der Kraftstoff zugeschaltet werden.
Das Verfahren der 11 kann auch erweitert werden, so dass es Drosselsteuerung umfasst. Insbesondere kann eine elektronische Drossel bei einem Start geschlossen oder bei einer festen Position gehalten werden, bis die Motorposition ermittelt ist und/oder bis ein vorbestimmter Ventilphasenbetrag erreicht werden kann.
Zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen Steuerroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen verwendet werden können, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben werden. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Einer oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen in das maschinenlesbare Speichermedium in dem Steuergerät 12 einzuprogrammierenden Code graphisch darstellen.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind.
Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-4, V-6, I-3, I-4, I-6, V-8, V-10, V-12, Gegenkolben- und andere Motorausführungen angewendet werden. Im Einzelnen kann ein VCT mit dualer Nacheilung bei allen Motoren einschließlich solchen mit einzelner oben liegender Nockenwelle oder eines Stoßstangenmotors. Es können verschiedenen Ventilsteuerzeitbereich verwendet werden, beispielsweise hoch bis zum IVC von etwa 120 Grad nach UT. Als weiteres Beispiel können verschiedene andere Mechanismen zum Steuern der Einlass- und/oder Auslassventilsteuerzeiten verwendet werden. Desweiteren können verschiedene Hybridantriebssysteme verwendet werden, beispielsweise hybridelektrisch, hybridhydraulisch oder Kombinationen davon. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden.
Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims

System für ein Fahrzeug mit: einem in dem Fahrzeug angeschlossenen Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens einen Zylinder mit einem Ein- und Auslassventil aufweist, wobei während des Motorbetriebs die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlassventils variabel auf spät verstellbar sind und die Öffnungs- und Schließzeiten des Auslassventils variabel auf spät verstellbar sind; und einer im dem Fahrzeug angeschlossenen Energieumwandlungsvorrichtung, die während Fahrzeugbetrieb gezielt Drehmoment zuführen und absorbieren kann.
System nach Anspruch 1, wobei die Einlassventil-Öffnungssteuerzeiten mindestens vom oberen Totpunkt des Kolbens variabel auf spät verstellbar sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Einlassventil-Schließsteuerzeiten mindestens vom unteren Totpunkt des Kolbens variabel auf spät verstellbar sind.
System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein Steuergerät umfasst, das zum Anpassen des Betriebs der Energieumwandlungsvorrichtung zum Aufrechterhalten einer ausreichenden Motordrehzahl ausgelegt ist, um eine Verstellung der Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten zu ermöglichen.
System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein in dem Fahrzeug angeschlossenes Getriebe und ein Steuergerät umfasst, das zum Anpassen des Betriebs des Getriebes und der Energieumwandlungsvorrichtung zum Aufrechterhalten einer ausreichenden Motordrehzahl ausgelegt ist, um eine Verstellung der Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten zu ermöglichen.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungsvorrichtung mit einer Energiespeichervorrichtung verbunden ist.
Verfahren zum Steuern des Motorbetriebs eines Motors mit variablen Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten, wobei der Motor in einem Hybridantriebssystem angeschlossen ist, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors mit auf spät verstellten Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten während mindestens eines Motorabschaltens; und Betreiben des Motors mit auf spät verstellten Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten während mindestens eines Motorstarts.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die auf spät verstellten Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten das Betreiben mit einem Einlassventilöffnen von über 20 Grad nach dem oberen Totpunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die auf spät verstellten Auslassventilsteuerzeiten das Betreiben mit einer Auslassventilschließzeit von über 20 Grad nach dem oberen Totpunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Start auf das Abschalten folgt und sowohl Abschalten als auch Start während Fahrzeugbetrieb erfolgen, wobei das Fahrzeug durch einen Motor in dem Hybridantriebssystem mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridantriebssystem ein elektrisches Hybridantriebssystem ist und das Abschalten und Starten unabhängig von einem Start-/Stoppbefehl eines Fahrers sind.
System für ein Fahrzeug mit: einem in dem Fahrzeug angeschlossenen Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens einen Zylinder mit einem Einlass- und Auslassventil aufweist, der Motor weiterhin eine zum Betätigen sowohl des Einlass- als auch des Auslassventils ausgelegte Nockenwelle aufweist, wobei die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlass- und Auslassventils jeweils um gleiche Beträge variabel auf spät verstellbar sind; und einer in dem Fahrzeug angeschlossenen Energieumwandlungsvorrichtung, die während Fahrzeugbetrieb gezielt Drehmoment zuführen und absorbieren kann.
System nach Anspruch 12, welches weiterhin ein Steuergerät umfasst, das zum Anpassen des Betriebs der Energieumwandlungsvorrichtung zum Aufrechterhalten ausreichender Motordrehzahl ausgelegt ist, um eine Verstellung der Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten zu ermöglichen.
System nach Anspruch 12, welches weiterhin ein in dem Fahrzeug angeschlossenes Getriebe und ein Steuergerät umfasst, das zum Anpassen des Betriebs des Getriebes und der Energieumwandlungsvorrichtung zum Aufrechterhalten ausreichender Motordrehzahl ausgelegt ist, um eine Verstellung der Einlass- und Auslassventilsteuerzeiten zu ermöglichen.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungsvorrichtung mit einer Energiespeichervorrichtung verbunden ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle in einer voll auf spät verstellten Position arretiert wird, wenn der Öldruck unter einen vorgegebenen Druck fällt.
System für ein Fahrzeug mit: einem in dem Fahrzeug angeschlossenen Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens einen Zylinder mit einem Einlass- und Auslassventil aufweist, wobei während Motorbetrieb die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlassventils variabel auf spät verstellbar sind und die Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Auslassventils variabel auf spät verstellbar sind; einer in dem Fahrzeug angeschlossenen Energieumwandlungsvorrichtung, die während Fahrzeugbetrieb gezielt Drehmoment zuführen und absorbieren kann; und einem dafür ausgelegten Steuersystem, mindestens eine der Öffnungs- und Schließsteuerzeiten des Einlassventils und des Auslassventils während mindestens eines von Starten und Stoppen des Motors zu verstellen.