DE102007029411A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Mehrzahl von Brennräumen (12), wobei die Brennräume (12) im Betrieb der Brennkraftmaschine (10) Momentenbeiträge zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine (10) leisten und jedem Brennraum (12) mindestens ein Einlassventil (14) zugeordnet ist, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven auswählbar ist, wird bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve zu einer zweiten Ventilhubkurve der Momentenbeitrag jedes Brennraums (12) für einen nachfolgenden Zündzyklus derart ausgewählt, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge aller Brennräume (12) über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert minimiert wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Brennräumen, wobei die Brennräume im Betrieb der Brennkraftmaschine Momentenbeiträge zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine leisten und jedem Brennraum mindestens ein Einlassventil zugeordnet ist, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven auswählbar ist.
  • In Brennkraftmaschinen werden die Einlassventile üblicherweise mit Nockenwellen betätigt, die eine Vielzahl von Nocken aufweisen und mit diesen bei einem bestimmten „Öffnungswinkel" bzw. einem bestimmten „Schließwinkel" einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein entsprechendes Einlassventil öffnen oder schließen. Hierbei wird eine sogenannte Ventilhubkurve durch die Form der Nocken vorgegeben, wobei bei Verwendung unterschiedlicher Nockenprofile in einer einzelnen Brennkraftmaschine für diese verschiedene Ventilhubkurven realisiert werden können. Eine derartige Brennkraftmaschine wird auch als Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung bezeichnet.
  • Eine Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung ist aus der DE 102 42 115 A1 bekannt. Diese umfasst mehrere Zylinder, die jeweils einen Brennraum aufweisen, in den über ein zugeordnetes Einlassventil Kraftstoff eingelassen wird. Das Einlass ventil wird über eine Nockenwelle angesteuert, die pro Einlassventil zwei paarweise angeordnete Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen aufweist, die jeweils eine vorgegebene Ventilhubkurve realisieren. Zur Durchführung einer Ventilhubumschaltung zwischen diesen Ventilhubkurven wird die Nockenwelle axial in ihrer Längsrichtung verschoben, sodass zwischen den Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen eine mechanische Umschaltung erfolgt und somit auch zwischen den von diesen realisierten Ventilhubkurven.
  • Aus der DE 102 42 115 A1 ist bekannt, dass die Phasenlage der Ventilhubkurven gegenüber dem Kurbelwellenwinkel beeinflusst werden kann, um eine unerwünschte Änderung des Motormoments der Brennkraftmaschine bei einer Ventilhubumschaltung zu reduzieren. Hierbei wird die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle derart verdreht, dass eine Phasenverschiebung zwischen diesen beiden auf „spät" erfolgt, um eine ruckfreie Umschaltung zu ermöglichen. Hierzu muss die Brennkraftmaschine derart ausgestaltet sein, dass diese Verdrehung der Nockenwelle möglich wird. Dies verlangt jedoch einen konstruktiven Eingriff in den Aufbau der Brennkraftmaschine, sodass das Verfahren der DE 102 42 115 A1 nicht ohne weiteres bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen verwendbar ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine vereinfachte Steuerung einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung ermöglichen.
  • Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb ei ner Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Brennräumen, wobei die Brennräume im Betrieb der Brennkraftmaschine Momentenbeiträge zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine leisten. Jedem Brennraum ist mindestens ein Einlassventil zugeordnet, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven auswählbar ist. Bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve zu einer zweiten Ventilhubkurve wird der Momentenbeitrag jedes Brennraums für einen nachfolgenden Zündzyklus derart ausgewählt, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge aller Brennräume über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert minimiert wird.
  • Die Erfindung ermöglicht somit im Betrieb der Brennkraftmaschine eine im Wesentlichen momentenneutrale Umschaltung von der ersten zur zweiten Ventilhubkurve.
  • Erfindungsgemäß gibt die erste Ventilhubkurve einen ersten Maximalhub und die zweite Ventilhubkurve einen zweiten Maximalhub vor, wobei der zweite Maximalhub kleiner als der erste Maximalhub ist. Die Ventilhubumschaltung wird bevorzugt für jeden Brennraum separat ausgeführt und erfolgt für mindestens zwei Brennräume in unterschiedlichen Zündzyklen.
  • Somit wird ermöglicht, den Momentenbeitrag jedes Brennraums individuell auszuwählen, um sicherzustellen, dass sowohl positive als auch negative Abweichungen vom vorgegebenen Momentensollwert in dem gleitenden Mittelwert der Momentenbeiträge aller Brennräume berücksichtigt werden.
  • Bevorzugt wird jedem Brennraum in jedem Zündzyklus eine vor gegebene Frischluftfüllung zugeführt, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Momentenbeitrags durch den Brennraum erforderlich ist. Die vorgegebene Frischluftfüllung kann jeweils in Abhängigkeit von einem Zündwinkel-Wirkungsgrad des Brennraums bestimmt werden.
  • Somit wird ermöglicht, eine geforderte Genauigkeit der Ventilhubumschaltung zu erzielen und deren Momentenneutralität zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß werden die Momentenbeiträge der Brennräume anhand eines Kennlinienfeldes bestimmt. Das Kennlinienfeld basiert auf möglichen Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine, wobei die Zustandsgrößen zumindest Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine umfassen. Bevorzugt gibt das Kennlinienfeld Einstellungen vor, mit denen die geeigneten Momentenbeiträge einstellbar sind, wobei die Einstellungen für einen bestimmten Momentenbeitrag zumindest eine erforderliche Ventilhubkurve und einen erforderlichen Zündwinkel-Wirkungsgrad umfassen.
  • Die Verwendung des Kennlinienfeldes ermöglicht eine schnelle und einfache Bestimmung der Momentenbeiträge der Brennräume.
  • Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Brennräumen. Die Brennräume leisten im Betrieb der Brennkraftmaschine Momentenbeiträge zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine. Jedem Brennraum ist mindestens ein Einlassventil zugeordnet, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven auswählbar ist. Das Computerprogramm wählt bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve zu einer zweiten Ventilhubkurve den Momentenbeitrag jedes Brennraums für einen nachfolgenden Zündzyklus derart aus, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge aller Brennräume über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert minimiert wird.
  • Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Brennräumen, wobei die Brennräume im Betrieb der Brennkraftmaschine Momentenbeiträge zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine leisten. Jedem Brennraum ist mindestens ein Einlassventil zugeordnet, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven auswählbar ist. Bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve zu einer zweiten Ventilhubkurve ist der Momentenbeitrag jedes Brennraums für einen nachfolgenden Zündzyklus auswählbar, um eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge aller Brennräume über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert zu minimieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung;
  • 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Nockenpaares der Nockenwelle von 1;
  • 3 eine schematische Darstellung von Ventilhubkurven, die mit dem Nockenpaar von 2 realisierbar sind;
  • 4 ein Diagramm, das Momentenbeiträge von Brennräumen einer Brennkraftmaschine bei unterschiedlichen Ventilhubkurven darstellt;
  • 5 ein Diagramm, das mögliche Momentenbeiträge in Abhängigkeit verschiedener Stellgrößen illustriert;
  • 6 ein Diagramm, das erfindungsgemäß erzeugte Momentenbeiträge bei einer erfindungsgemäßen Ventilhubumschaltung darstellt; und
  • 7 ein Diagramm eines gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge aller Brennräume der Brennkraftmaschine von 1 über mehrere aufeinander folgender Zündzyklen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern, von denen in 1 nur einer dargestellt ist, der einen Brennraum 12 umfasst. Diesem wird Verbrennungsluft über ein Einlassventil 14 und ein Ansaugrohr 16 zugeführt. Ein Injektor 18 spritzt Kraftstoff in das Ansaugrohr 16 ein. Der Kraftstoff wird von einem Kraftstoffsystem 20 bereitgestellt. Eine Drosselklappe 22 ermöglicht eine Verengung des Querschnitts des Ansaugrohrs 16. Die Luftmasse, welche vom Ansaugrohr 16 angesaugt wird, wird von einem HFM-Sensor 24 erfasst.
  • Die Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 26 in ein Abgasrohr 28 abgeführt. Ein sich im Brennraum 12 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 30 gezündet, die wiederum von einem Zündsystem 32 angesteuert wird. Ein nicht dargestellter Kolben ist über ein ebenfalls nicht dargestelltes Pleuel mit einer symbolisch dargestellten Kurbelwelle 34 verbunden. Deren Winkelstellung und Drehzahl wird von einem Sensor 36 abgegriffen.
  • Das Einlassventil 14 wird von einer Einlassnockenwelle 38 und das Auslassventil 26 von einer Auslassnockenwelle 40 betätigt. Durch Aktoren 42 und 44 können die Nockenwellen 38 und 40 in noch näher darzustellender Art und Weise verstellt werden. Die aktuelle Winkelstellung der Einlassnockenwelle 38 wird von einem Sensor 46 erfasst. Die aktuelle Winkelstellung der Auslassnockenwelle 40 wird von einem Sensor 48 erfasst.
  • Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 50 gesteuert bzw. geregelt. Dieses ist eingangsseitig mit dem HFM-Sensor 24, dem Kurbelwellensensor 36 und den Nockenwellensensoren 46 und 48 verbunden. Ausgangsseitig ist das Steuer- und Regelgerät 50 mit dem Injektor 18, der Drosselklappe 22, dem Zündsystem 32 und den Aktoren 42 und 44 der Nockenwellen 38 und 40 verbunden.
  • In 2 ist die Einlassnockenwelle 38 von 1 und ein in 1 nicht dargestellter Stößel 52 des Einlassventils 14 dargestellt. 2 umfasst insgesamt fünf einzelne Darstellungen der Einlassnockenwelle 38 der unterschiedlichen Winkelstellungen. Der Einfachheit halber ist nur eines der dargestellten Bilder mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
  • Aus 2 ist ersichtlich, dass die Einlassnockenwelle 38 pro Einlassventil 14 mit zwei paarweise angeordneten Nocken 44 und 56 ausgestattet ist. Durch eine Verschiebung der Einlassnocken welle 38 in ihrer Längsrichtung, welche durch einen der Aktoren 42 bewirkt werden kann, arbeitet entweder der Nocken 54 oder der Nocken 56 auf den Stößel 52. Die Hubkurve des Nockens 54 ist in 3 mit H1, die Hubkurve des Nockens 56 in 3 mit H2 bezeichnet. Nachfolgend wird die Hubkurve H1 auch als „Ventilhubkurve im großen Hub" und die Hubkurve H2 auch als „Ventilhubkurve im kleinen Hub" bezeichnet. Die Position des Stößels 52, welche durch den Nocken 54 bewirkt wird, ist in 2 mit durchgezogenen Linien, jene Position, die durch den Nocken 56 bewirkt wird, strichpunktiert dargestellt.
  • Man erkennt aus 3, dass der maximale Hub hmax1 des Stößels 52, welcher durch den Nocken 54 bewirkt wird, etwa doppelt so groß ist wie der maximale Hut hmax2, welcher durch den Nocken 56 bewirkt wird. Man erkennt auch, dass das Einlassventil 14, wenn der Stößel 52 vom Nocken 56 beaufschlagt wird, später öffnet als in jenem Fall, in dem der Stößel 52 vom Nocken 54 beaufschlagt wird, sodass im illustrierten Beispiel variable Ventilsteuerzeiten erzielt werden. Schließlich ist aus 3 ersichtlich, dass der Schließwinkel des Einlassventils 14 bei beiden Hubkurven H1 und H2 immer gleich ist.
  • Variable Ventilsteuerzeiten haben den Vorteil, dass die Forderungen nach geringen Abgasemissionen und niedrigem Verbrauch in allen Drehzahlbereichen besser erfüllt werden können als bei nicht variabler Ventilsteuerung. Eine einfache Möglichkeit, die Steuerzeiten des Einlassventils 14 zu verändern, besteht darin, dass der Stößel 52 entweder durch den Nocken 54 oder den Nocken 56 betätigt wird und so die unterschiedlichen Hubkurven H1 bzw. H2 von 3 realisiert werden können. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass beim Umschalten von einer Hubkurve zur anderen sich das Motormoment auf Grund der Umschaltung nicht schlagartig ändert.
  • 4 zeigt ein Diagramm 400, das repräsentative zeitliche Verläufe eines Motormoments einer Brennkraftmaschine (z. B. der Brennkraftmaschine 10 von 1) darstellt. Hierbei wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Brennkraftmaschine vier Zylinder hat, die jeweils einen Brennraum aufweisen, wobei jeder Brennraum mindestens ein Einlassventil hat, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird (z. B. einer der Ventilhubkurven H1 oder H2 von 3).
  • In 4 ist mit 43 ein Verlauf des Motormoments bei einer Ansteuerung mit einer ersten Ventilhubkurve bzw. einer Ventilhubkurve im großen Hub (z. B. Ventilhubkurve H1 von 3) dargestellt. Mit 47 ist analog ein Verlauf des Motormoments bei einer Ansteuerung mit einer zweiten Ventilhubkurve bzw. einer Ventilhubkurve im kleinen Hub (z. B. Ventilhubkurve H2 von 3) dargestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, das die Darstellung beider Momentenverläufe 43, 47 im Diagramm 400 lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen soll, da im praktischen Betrieb ein Brennraum einer Brennkraftmaschine immer nur gemäß einer der beiden Ventilhubkurven angesteuert werden kann und ein gleichzeitiges Ansteuern gemäß beiden Ventilhubkurven nicht möglich ist.
  • Die Momentenverläufe 43, 47 repräsentieren jeweils ein resultierendes Motormoment der Brennkraftmaschine, das sich aus zylinderindividuellen Momentenbeiträgen der einzelnen Brennräume zusammensetzt, wenn deren Einlassventile auf der Basis der jeweils ausgewählten Ventilhubkurve im großen bzw. kleinen Hub angesteuert werden. Die zylinderindividuellen Momentenbeiträge ergeben sich aus: M(i) = Ml,opt(rl(i),nmot(i))·ηλ(i)·ηZW(i)·ηZAS(i)·ηX(i) (1)mit:
    • Ml,opt(rl,nmot) ≔ optimales inneres Moment, abhängig von Frischluftfüllung rl und Motordrehzahl nmot,
    • ηλ ≔ Lambda-Wirkungsgrad,
    • ηZW ≔ Zündwinkel-Wirkungsgrad,
    • ηZAS ≔ Ausblend-Wirkungsgrad (= 0 oder = 1), und
    • ηX ≔ Wirkungsgrad weiterer beeinflussender Stellgrößen.
  • Da jeder Momentenbeitrag eines Brennraums durch Ml,opt(rl,nmot) in Gleichung (1) direkt proportional zur jeweiligen, dem Brennraum zugeführten Frischluftfüllung rl ist, repräsentieren die Verläufe 43, 47 somit in Analogie die Verläufe der Frischluftfüllungen rl in den Brennräumen bei den Ansteuerungen mit den Ventilhubkurven im großen bzw. kleinen Hub.
  • In 4 ist mit 45 ein als Fahrerwunschmoment bezeichneter, vorgegebener Momentensollwert bezeichnet. Der Einfachheit halber und zwecks Illustration einer Ausführungsform der Erfindung wird angenommen, dass dieses Fahrerwunschmoment 45 konstant ist und zunächst durch Momentenbeiträge 11, 21, 31, 41, 15 der Brennräume bei einer Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im kleinen Hub erzielt wird. Hierbei werden die Momentenbeiträge 11, 15 illustrativ von einem ersten Zylinder, der Momentenbeitrag 21 von einem zweiten Zylinder, der Momentenbeitrag 31 von einem dritten Zylinder und der Momentenbeitrag 41 von einem vierten Zylinder der Brennkraftmaschine erzeugt.
  • Wie aus 4 ersichtlich, weicht das durch Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im kleinen Hub erzielte, resultierende Motormoment 47 ab dem Momentenbeitrag 41 des ersten Zylinders von dem Fahrerwunschmoment 45 ab. Der Momentenbeitrag 15 ergibt sich für den Fall, dass dennoch weiter auf der Basis der Ventilhubkurve im kleinen Hub angesteuert wird. Dies verdeutlicht, das ab dem Zeitpunkt des Momentenbeitrags 41 eine Ventilhubum schaltung zur Ventilhubkurve im großen Hub erforderlich wird, um den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Fahrerwunschmoment 45 zu ermöglichen.
  • 5 zeigt ein Diagramm 500, das die Momentenverläufe 43, 45, 47 von 3 darstellt und repräsentativ auswählbare Momentenbeiträge 51, 53, 55, 57, 59 für den zweiten Zylinder der Brennkraftmaschine im aktuellen bzw. einem oder mehreren nachfolgenden Zündzyklen nach der Erzeugung des Momentenbeitrags 15 durch den ersten Zylinder illustriert. Aus diesen Momentenbeiträgen kann für den zweiten Zylinder und analog für die anderen Zylinder im aktuellen und/oder nachfolgenden Zündzyklen jeweils ein geeigneter Momentenbeitrag derart ausgewählt werden, dass eine im Wesentlichen momentenneutrale Ventilhubumschaltung erzielt wird. Hierbei bestehen für jeden Zylinder fünf verschiedene Wahlmöglichkeiten für den Momentenbeitrag aufgrund der Ansteuerung mit zwei unterschiedlichen Ventilhubkurven, d. h. den Ventilhubkurven im großen und kleinen Hub, wie nachfolgend im Detail erläutert wird.
  • Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur auf einen nachfolgenden Zündzyklus Bezug genommen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dieser Bezug jeweils auch einen Bezug auf den entsprechenden, aktuellen Zündzyklus bzw. mehrere nachfolgende Zündzyklen umfasst.
  • Mit 59 ist ein auswählbarer Momentenbeitrag des zweiten Zylinders bezeichnet, der bei einer Einspritzausblendung erzeugt wird, d. h. ηZAS in Gleichung (1) wird zu Null gesetzt, sodass sich ein Nullmomentenbeitrag ergibt. Mit 55 ist ein auswählbarer Momentenbeitrag bezeichnet, der bei einer Ansteuerung des Brennraums des zweiten Zylinders gemäß der Ventilhubkurve im kleinen Hub bei optimiertem Zündwinkel-Wirkungsgrad erzeugt wird. In diesem Fall entspricht ηZW in Gleichung (1) dem bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im kleinen Hub „üblichen" Wert, sodass der Momentenbeitrag 55 auf dem Momentenverlauf 47 liegt. Mit 57 ist ein auswählbarer Momentenbeitrag bezeichnet, der bei einer Ansteuerung des Brennraums des zweiten Zylinders gemäß der Ventilhubkurve im kleinen Hub bei verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad erzeugt wird, d. h. ηZW in Gleichung (1) wird verringert und somit wird der Momentenbeitrag 57 im Vergleich zum Momentenbeitrag 55 verringert. Mit 51 ist ein auswählbarer Momentenbeitrag bezeichnet, der bei einer Ansteuerung des Brennraums des zweiten Zylinders gemäß der Ventilhubkurve im großen Hub bei optimiertem Zündwinkel-Wirkungsgrad erzeugt wird. In diesem Fall entspricht ηZW in Gleichung (1) dem bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im großen Hub „üblichen" Wert, sodass der Momentenbeitrag 51 auf dem Momentenverlauf 43 liegt. Mit 53 ist ein auswählbarer Momentenbeitrag bezeichnet, der bei einer Ansteuerung des Brennraums des zweiten Zylinders gemäß der Ventilhubkurve im großen Hub bei verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad erzeugt wird, d. h. ηZW in Gleichung (1) wird verringert und somit wird der Momentenbeitrag 53 im Vergleich zum Momentenbeitrag 51 verringert.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass anhand des auswählbaren Momentenbeitrags 53 ersichtlich wird, dass eine Ventilhubumschaltung von der Ventilhubkurve im kleinen Hub zu der Ventilhubkurve im großen Hub bei schlechtest möglichem Zündwinkel-Wirkungsgrad nicht zur Erzielung des Fahrerwunschmoments 45 führt. Dementsprechend ist eine Momentenkompensation, bei der eine Auswahl der jeweiligen Momentenbeiträge ausschließlich unter Berücksichtigung von Zündwinkel-Wirkungsgrad-Anpassungen erfolgt, nicht ausreichend, um eine momentenneutrale Ventilhubumschaltung zu gewährleisten. Ein Verfahren zur Durchführung einer im Wesentlichen momentenneutralen Ventilhubumschaltung ist in 6 illustriert.
  • 6 zeigt ein Diagramm 600, das die Momentenverläufe 43, 45, 47 mit den Momentenbeiträgen 11, 21, 31, 41, 15 von 3 darstellt und repräsentativ auswählbare Momentenbeiträge 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 sowie bei einer erfindungsgemäßen Ventilhubumschaltung ausgewählte Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 illustriert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden hierbei ab dem Momentenbeitrag 41 in nachfolgenden Zündzyklen die Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 der Brennräume individuell derart ausgewählt, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts dieser Momentenbeiträge in den nachfolgenden Zündzyklen bis zum Abschluss der Ventilhubumschaltung von dem Fahrerwunschmoment 45 minimiert wird.
  • Illustrativ ist in 6 der Momentenbeitrag 61 als Momentenbeitrag des ersten Zylinders bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im kleinen Hub bei verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad ausgewählt worden, wie oben bei 5 erläutert. Der Momentenbeitrag 62 ist analog als Momentenbeitrag des zweiten Zylinders bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im großen Hub bei verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad ausgewählt worden. Die Momentenbeiträge 63, 64 sind analog als Momentenbeiträge des dritten bzw. vierten Zylinders bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im kleinen Hub bei optimiertem Zündwinkel-Wirkungsgrad ausgewählt worden. Die Momentenbeiträge 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83 sind analog als Momentenbeiträge der Zylinder bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im großen Hub bei verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad ausgewählt worden. Ab dem Zeitpunkt der Auswahl des Momentenbeitrags 90 sind dann alle in 6 nachfolgenden Momentenbeiträge als Momentenbeiträge der Zylinder bei Ansteuerung mit der Ventilhubkurve im großen Hub bei optimiertem Zündwinkel-Wirkungsgrad ausgewählt worden.
  • Die Auswahl dieser individuellen Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 erfolgt bevorzugt anhand eines Kennlinienfeldes. Dieses Kennlinienfeld kann mögliche Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine berücksichtigen, wie z. B. eine an der Brennkraftmaschine anliegende Last und/oder eine Motordrehzahl der Brennkraftmaschine. Insbesondere kann das Kennlinienfeld Einstellungen vorgeben, mit denen die geeigneten Momentenbeiträge einstellbar bzw. auswählbar sind. Diese Einstellungen können für einen bestimmten Momentenbeitrag z. B. eine erforderliche Ventilhubkurve und einen erforderlichen Zündwinkel-Wirkungsgrad umfassen.
  • Bei der Auswahl der Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 ist es ebenfalls erforderlich, Vorlaufzeiten für bei der Ventilhubumschaltung zu betätigende Steller zu berücksichtigen. Z. B. benötigt die Ventilhubumschaltung in Abhängigkeit vom in der Brennkraftmaschine verwendeten Verstellmechanismus eine Vorlaufzeit von 1,0–1,5 Arbeitsspielen und die Einspritzausblendung, in Abhängigkeit davon, ob es sich um eine Direkteinspritzung oder eine Saugrohreinspritzung handelt, 0,5–1,0 Arbeitsspiele. Dementsprechend ist es erforderlich, alle Momentenbeiträge für einen maximalen Zeitraum zu prädizieren, d. h. eine prädizierte Frischluftfüllung muss für die Ventilhubkurve im großen und kleinen Hub berechnet werden und in die Bestimmung einer entsprechenden Kennlinie einfließen. Hierbei ist in Abhängigkeit von einer geforderten Genauigkeit auch der Zündwinkel-Wirkungsgrad vom prädizierten Betriebspunkt zu berücksichtigen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Auswahl der Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 jeweils die Bestimmung einer vorgegebenen Frischluftfüllung, die jeweils zur Erzeugung des entsprechenden Momentenbeitrags einem jeweils aktiven Brennraum zuzuführen ist. Hierbei wird zu Beginn der Ventilhubumschaltung eine Verzögerung des Auf- bzw. Abbaus der Frischluftfüllung bewirkt, der zusätzlich gezielt gesteuert werden kann. Insbesondere kann die Frischluftfüllung jeweils in Abhängigkeit von einem Zündwinkel-Wirkungsgrad des Brennraums bestimmt werden. Die Bestimmung eines jeweils geeigneten Zündwinkels erfolgt hierbei auf die im Stand der Technik bekannte Art und Weise und kann als so genanntes „Fein-Tuning" Anwendung finden, das auch bei der Minimierung aus den prädizierten Momentenbeiträgen erfolgen kann. In diesem Fall kann der Zündwinkel für eine jeweils nachfolgende Zündung unter Berücksichtigung eines jeweiligen Ist-Motormoments, das über eine geeignete Motronik verfügbar ist, und einem entsprechenden Zündsollmoment ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Minimierung der Abweichung des gleitenden Mittelwerts der Momentenbeiträge von dem Fahrerwunschmoment 45 von einer geeigneten Steuerung (z. B. Steuer- und Regelgerät 50 von 1) ausgeführt. Dieses kann hierzu ein geeignetes Computerprogramm ausführen, das auf Algorithmen und Kennlinienfelder zugreift, die eine Auswahl geeigneter Momentenbeiträge bei einer Ventilhubumschaltung ermöglichen.
  • Zur Minimierung der Abweichung des gleitenden Mittelwerts wird erfindungsgemäß die Summe S über N aufeinander folgende Momentenbeiträge, die sich gemäß folgender Gleichung ergibt, minimiert:
    Figure 00160001
    mit M0(i) ≔ Fahrerwunschmoment bzw. Momentensollwert 45.
  • Hierbei können bis zu 5N mögliche Kombinationen bzw. Summenwerte S ermittelt werden, da wie oben stehend bei 5 erläutert für jeden Brennraum jeweils zwischen fünf unterschiedlichen Momentenbeiträgen gewählt werden kann. Allerdings kann die Anzahl der möglichen Kombinationen erfindungsgemäß reduziert werden, da in der Regel auszuschließen ist, dass während einer Ventilhubumschaltung ein Zylinder mehrfach von einer ersten zu einer zweiten Ventilhubkurve und umgekehrt umgeschaltet wird. Wie aus 6 beispielhaft ersichtlich, werden diejenigen Zylinder, deren Ansteuerung von der Ventilhubkurve im kleinen Hub auf die Ventilhubkurve im großen Hub umgeschaltet wurde während der dargestellten Ventilhubumschaltung nicht wieder auf die Ventilhubkurve im kleinen Hub zurück geschaltet.
  • 7 zeigt ein Diagramm 700, das die ausgewählten Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 illustriert. Des Weiteren ist strichpunktiert ein bei der erfindungsgemäßen Ventilhubumschaltung zu erwartendes, resultierendes Motormoment 96 dargestellt. Mit 98 ist der gleitende Mittelwert der ausgewählten Momentenbeiträge 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 81, 82, 83, 90, 91, 92 illustriert, der das vom Fahrer subjektiv wahrgenommene Motormoment repräsentiert.
  • Wie aus 7 ersichtlich, ist die Abweichung des gleitenden Mittelwerts 98 vom Fahrerwunschmoment 45 minimal, wobei über einen längeren Zeitraum gemittelt kein Sprung im Verlauf 98 erkennbar ist, sodass die Ventilhubumschaltung erfindungsgemäß im Wesentlichen momentenneutral erfolgt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren ebenso zur momentenneutralen Ventilhubumschaltung für ein System mit einem 0-Nocken geeignet ist, bei dem eine Nicht-Öffnung eines entsprechenden Einlassventils und somit eine Zylinderabschaltung möglich ist. Hierbei wird die Ventilhubkurve im kleinen Hub prinzipiell durch eine Ventilhubkurve mit 0-Hub ersetzt, d. h. die Ansteuerung über den 0-Nocken liefert ein Nullmoment. In diesem Fall sind bei der Ventilhubumschaltung lediglich die Ansteuerungen mit der Ventilhubkurve im großen Hub bei optimiertem oder verschlechtertem Zündwinkel-Wirkungsgrad und bei einer Einspritzausblendung zu berücksichtigen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10242115 A1 [0003, 0004, 0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Mehrzahl von Brennräumen (12), wobei die Brennräume (12) im Betrieb der Brennkraftmaschine (10) Momentenbeiträge (11, 21, 31, 41) zum resultierenden Motormoment (47) der Brennkraftmaschine (10) leisten und jedem Brennraum (12) mindestens ein Einlassventil (14) zugeordnet ist, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven (H1, H2) auswählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve (H1) zu einer zweiten Ventilhubkurve (H2) der Momentenbeitrag jedes Brennraums (12) für einen nachfolgenden Zündzyklus derart ausgewählt wird, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts (98) der Momentenbeiträge aller Brennräume (12) über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert (45) minimiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Ventilhubkurve (H1) einen ersten Maximalhub (hmax1) und die zweite Ventilhubkurve (H2) einen zweiten Maximalhub (hmax2) vorgibt, wobei der zweite Maximalhub kleiner als der erste Maximalhub ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhubumschaltung für jeden Brennraum (12) separat ausgeführt wird und für mindestens zwei Brennräume (12) in unterschiedlichen Zündzyklen erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Brennraum (12) in jedem Zündzyklus eine vorgegebene Frischluftfüllung zugeführt wird, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Momentenbeitrags durch den Brennraum (12) erforderlich ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Frischluftfüllung jeweils in Abhängigkeit von einem Zündwinkel-Wirkungsgrad des Brennraums (12) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenbeiträge der Brennräume (12) anhand eines Kennlinienfeldes bestimmt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennlinienfeld auf möglichen Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine (10) basiert, wobei die Zustandsgrößen zumindest Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennlinienfeld Einstellungen vorgibt, mit denen die geeigneten Momentenbeiträge einstellbar sind, wobei die Einstellungen für einen bestimmten Momentenbeitrag zumindest eine erforderliche Ventilhubkurve und einen erforderlichen Zündwinkel-Wirkungsgrad umfassen.
  9. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Mehrzahl von Brennräumen (12), wobei die Brennräume (12) im Betrieb der Brennkraftmaschine (10) Momentenbeiträge (11, 21, 31, 41) zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine (10) leisten und jedem Brennraum (12) mindestens ein Einlassventil (14) zugeordnet ist, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhub kurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven (H1, H2) auswählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve (H1) zu einer zweiten Ventilhubkurve (H2) den Momentenbeitrag jedes Brennraums (12) für einen nachfolgenden Zündzyklus derart auswählt, dass eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts (98) der Momentenbeiträge aller Brennräume (12) über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert (45) minimiert wird.
  10. Brennkraftmaschine (10) mit einer Mehrzahl von Brennräumen (12), wobei die Brennräume (12) im Betrieb der Brennkraftmaschine (10) Momentenbeiträge (11, 21, 31, 41) zum resultierenden Motormoment der Brennkraftmaschine (10) leisten und jedem Brennraum (12) mindestens ein Einlassventil (14) zugeordnet ist, das auf der Basis einer vorgegebenen Ventilhubkurve angesteuert wird, die aus einer Mehrzahl von Ventilhubkurven (H1, H2) auswählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ventilhubumschaltung von einer ersten Ventilhubkurve (H1) zu einer zweiten Ventilhubkurve (H2) der Momentenbeitrag jedes Brennraums (12) für einen nachfolgenden Zündzyklus auswählbar ist, um eine Abweichung eines gleitenden Mittelwerts (98) der Momentenbeiträge aller Brennräume (12) über mehrere aufeinander folgende Zündzyklen von einem vorgegebenen Momentensollwert (45) zu minimieren.
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