DE102009047219A1

DE102009047219A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102009047219A1
Application number: DE102009047219A
Authority: DE
Inventors: Frank Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-01
Also published as: CN102080618A; US20110126801A1; CN102080618B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit mehreren Zylindern (Z1-Z4), wobei in einem Steuergerät (10) aufeinanderfolgende Zeitfenster, die jeweils einem Zylinder (Z1-Z4) zugeordnet sind, definiert sind, wobei in einem Zeitfenster jeweils eine Berechnung eines Zündzeitpunkts, ein Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung (7) und ein Auslösen einer Zündung bezüglich eines dem Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1-Z4) durchgeführt wird, wobei für eine Zündung der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung (7) gestartet werden muss, dessen zeitliche Länge mindestens eine Auflade-Zeitdauer beträgt, wobei in jedem Zeitfenster folgende Schritte durchgeführt werden: - Ermitteln einer Angabe zu einem Zündzeitpunkt für einen dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1-Z4); - Feststellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1-Z4) um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt; - wenn festgestellt wird, dass der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1-Z4) um weniger als die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, Starten eines Ladevorgangs für die Zündeinrichtung (7) des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1-Z4).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren mit einer Drehmomentenkompensation mit Hilfe einer Verstellung eines Zündwinkels.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren, insbesondere Ottomotoren, können in verschiedenen Motorbetriebsamen betrieben werden, bei denen jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Zylindern aktiv betrieben werden, so dass diese zu einem Drehmoment beitragen, während die übrigen Zylinder passiv sind und kein Drehmoment liefern. Die Betriebsart, bei der alle Zylinder des Verbrennungsmotors aktiv sind, d. h. einen Drehmomentenbeitrag liefern, wird Vollmotorbetrieb genannt, während die Betriebsart, bei der nur ein Teil der Zylinder aktiv ist, Teilmotorbetrieb genannt wird. Bei den passiven Zylindern wird der Kolben durch die Bewegung der Kurbelwelle lediglich mitgeschleppt.
Beim Übergang zwischen den Motorbetriebsarten entstehen durch Abschalten oder Wiederinbetriebnahme von einzelnen Zylindern Drehmomentsprünge, die kompensiert werden müssen. Des Weiteren können die passiven Zylinder während des Teilmotorbetriebs verschlossen bleiben, d. h. sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil der betreffenden Zylinder können permanent geschlossen gehalten werden, so dass beim Übergang in einen Teilmotorbetrieb, bei dem zuvor betriebene, aktive Zylinder abgeschaltet werden, Verbrennungsabgase und/oder Frischluft in dem Brennraum der entsprechenden Zylinder verbleiben. Bei der Bewegung des Kolbens in den passiven Zylinder entsteht dann bei einer Kompression der darin verbliebenen Verbrennungsabgase beim Mitschleppen des Kolbens ein hohes, dem durch die aktiven Zylinder bereitgestellten Drehmoment gegenläufiges Drehmoment. Auf gleiche Weise wird durch die passiven Zylinder bei einer jeweiligen Expansionsbewegung ein Drehmoment bereitgestellt, das in Richtung des Antriebsmoments wirkt.
Diese durch die Bewegung des Kolbens in den passiven Zylindern bewirkten Drehmomente müssen kompensiert werden, um starke Drehmomentenschwankungen auf der Abtriebswelle zu vermeiden. Dieser Vorgang wird auch Gasfederkompensation genannt. Die Gasfederkompensation dient dazu, durch geeignete Ansteuerung der aktiven Zylinder die durch die passiven Zylinder bewirkten Drehmomentenschwankungen auszugleichen. Die Gasfederkompensation wird durchgeführt, indem die vor der Umschaltung zwischen den Motorbetriebsarten aufgebaute Momentreserve benutzt wird, um einen schnellen Momenteneingriff durchzuführen. Dies kann durch eine Verstellung des Zündwinkels durchgeführt werden.
Die Steuerung des Betriebs der einzelnen Zylinder in einem Verbrennungsmotor erfolgt durch ein Steuergerät. Um zu gewährleisten, dass alle zum Betrieb des Verbrennungsmotors benötigten Größen rechtzeitig bereitgestellt werden, erfolgt die Ermittlung und die Durchführung einzelner, die Zylinder betreffenden Eingriffe in aufeinander folgenden Zeitfenstern, wobei jedes Zeitfenster vorwiegend einem entsprechenden Zylinder zugeordnet ist. Die Zeitfenster dienen in erster Linie dem aktuell an der Drehmomentneerzeugung beteiligten Zylinder, z. B. dem Bereitstellen des Zündzeitpunktes. In zweiter Linie dient es aber auch anderen Zylindern, welche vorbereitet werden müssen, damit sie zu einem späteren Zeitpunkt Drehmoment erzeugen können, z. B. Bereitstellen des Einspritzzeitpunktes. D. h. das Steuergerät führt eine Ermittlung von Steuerungsgrößen, wie z. B. eines Einspritzzeitpunktes, einer Einspritzdauer, eines Zündzeitpunktes und dergleichen, und eine entsprechende Ansteuerung des dem Zeitfenster zugeordneten Zylinders nur in dem entsprechenden Zeitfenster durch. In aufeinanderfolgenden Zeitfenstern werden also die Ermittlung von Steuerungsgrößen und eine entsprechende Ansteuerung für verschiedene Zylinder durchgeführt. Diese Zeitfenster werden Synchros genannt.
Ein Zündfunke, der durch eine in jedem der Zylinder vorgesehenen Zündspule erzeugt wird, kann nicht unmittelbar gemäß einem Ansteuersignal ausgelöst werden. Vielmehr muss die Zündspule zunächst geladen werden, so dass nach einer Mindest-Ladedauer ein Zündfunkte ausgelöst werden kann. Daher ist es notwendig, abhängig von einem gewünschten Zündzeitpunkt zunächst einen Ladestart-Zeitpunkt zu bestimmen und das Laden der Zündspule entsprechend zu starten, so dass ein Zünden zu dem zuvor bestimmten Zündzeitpunkt zu ermöglichen.
Je nach Betriebszustand von Verbrennungsmotoren, die im Teilmotorbetrieb betrieben werden können, wie beispielsweise ein Betrieb in einem bestimmten Drehzahlbereich, kann die Gasfederkompensation nicht wie gewünscht realisiert werden, wenn es zu einem Zündungsüberlapp kommt. Ein solcher Zündungsüberlapp tritt auf, wenn ein Zündzeitpunkt ermittelt wird, der einen Start des Ladevorgangs der Zündspule bereits während eines vorangehenden Synchros erfordern würde. In diesen Fällen kommt es daher zu einem so genannten Zwangsereignis, bei dem sofort bei Eintritt in den aktuellen Synchro das Laden der Zündspule gestartet wird. Der sich daraus ergebende Zündfunke kann jedoch erst später als in dem Synchro ermittelt erzeugt werden. Dies führt zu einem geringeren Drehmoment als gewünscht, da der Zündzeitpunkt nicht in ausreichendem Maße nach früh verstellt werden kann. Die so beabsichtigte Gasfederkompensation wird also nur unzureichend ausgeführt.
Ist es zu einem solchen Zwangsereignis gekommen, geht das Zündsystem nachfolgend davon aus, dass künftige Zündungen ebenfalls mit einem Überlapp, d. h. mit einem Starten eines Ladevorgangs der Zündspule für den einem nachfolgenden Synchro zugeordneten Zylinder, begonnen werden sollen. Jedoch wird bei der Gasfederkompensation unter Umständen der Zündzeitpunkt der darauf folgenden Zündung bereits wieder von einem frühen Zündzeitpunkt zu einem späten Zündzeitpunkt verstellt. Der Zündungsüberlapp wird daher wieder zurückgenommen. Da das Zündsystem jedoch noch von einem Zündungsüberlapp ausgeht, wird bereits ein Synchro zuvor mit dem Laden der Zündspule begonnen. Da Zündspulen in der Regel nicht ohne einen Zündfunken auszulösen entladen werden können, muss der Zündfunke abgesetzt werden. Der Zeitpunkt, zu dem der Zündfunke in diesem Fall erzeugt wird, ist jedoch in dem betreffenden Synchro zu früh und das dadurch erzeugte Drehmoment zu hoch.
Da bei der Gasfederkompensation schnelle Sprünge der Zündzeitpunkte realisiert werden müssen, ist es also bei herkömmlichen Zündsystemen nicht möglich, die Gasfederkompensation so umzusetzen, dass das gesamte, durch die passiven Zylinder bewirkte Drehmoment kompensiert wird.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, bei denen die Erzeugung eines Zündfunkens zu einem beliebigen Zündzeitpunkt innerhalb eines Synchros realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie durch das Steuergerät und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern vorgesehen, wobei in einem Steuergerät aufeinander folgende Zeitfenster, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sein können, definiert sind, wobei in einem Zeitfenster jeweils eine Berechnung eines Zündzeitpunkts, ein Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung und ein Auslösen einer Zündung bezüglich eines dem Zeitfenster zugeordneten Zylinders durchgeführt wird, wobei für eine Zündung der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung gestartet werden muss, dessen zeitliche Länge mindestens eine Auflade-Zeitdauer beträgt,
wobei in jedem Zeitfenster folgende Schritte durchgeführt werden:

– Ermitteln einer Angabe zu einem Zündzeitpunkt für einen dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder
– Feststellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt;
– wenn festgestellt wird, dass der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder um weniger als die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, Starten eines Ladevorgangs für die Zündeinrichtung des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, während eines einem bestimmten Zylinder zugeordneten aktuellen Zeitfenster vorausgehenden Zeitfenster einen Zündzeitpunkt für den dem aktuellen Zeitfenster zugeordneten Zylinder zu prädizieren, so dass abhängig von dem prädizierten Zündzeitpunkt das Zündsystem in dem vorausgehenden Synchro entscheiden kann, ob ein Laden der Zündspule begonnen werden soll oder nicht. Auf diese Weise ist es möglich, Zündfunken auch unmittelbar zu Beginn des Zeitfensters des dem aktuellen Zeitfenster zugeordneten Zylinders zu erzeugen, da das Laden der betreffenden Zündeinrichtung bereits im vorangehenden Zeitfenster gestartet worden ist. Auf diese Weise kann eine schnelle Verstellung des Zündzeitpunkts über dem gesamten Bereich des Zeitfensters realisiert werden. Dadurch kann beispielsweise die Gasfederkompensation beim Umschalten zwischen den Motorbetriebsarten umgesetzt werden, so dass eine momentneutrale Umschaltung zwischen den Motorbetriebsarten ermöglicht wird, obwohl dafür schnelle Sprünge der Zündzeitpunkte notwendig sind.
Weiterhin kann das Starten eines Ladevorgangs für die Zündeinrichtung des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders zu einem Zeitpunkt beginnen, der mindestens um die Auflade-Zeitdauer vor dem Zündzeitpunkt liegt.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Starten des Aufladevorgangs für die Zündeinrichtung bezüglich des dem aktuellen Zeitfenster zugeordneten Zylinders unterdrückt werden, wenn festgestellt wird, dass der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung des aktuellen Zylinders bereits gestartet worden ist.
Bei einer Motorbetriebsart kann mindestens einer der Zylinder passiv sein und die übrigen Zylinder aktiv, wobei bei dem Feststellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordnete Zylinder um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, das durch den mindestens einen passiven Zylinder bewirkte Drehmoment berücksichtigt wird.
Weiterhin kann in dem Zeitfenster, das dem mindestens einen passiven Zylinder zugeordnet ist, das Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung und das Auslösen einer Zündung unterdrückt werden.
Insbesondere kann das jeweilige Zeitfenster den Zeitpunkt des oberen Totpunkts einer Bewegung eines Kolbens in dem dem Zeitfenster zugeordneten Zylinder umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Steuergerät zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern vorgesehen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, um in aufeinander folgenden Zeitfenstern, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind, jeweils eine Berechnung eines Zündzeitpunkts, ein Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung und ein Auslösen einer Zündung bezüglich eines dem Zeitfenster zugeordneten Zylinders durchzuführen, wobei für eine Zündung der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung gestartet werden muss, dessen zeitliche Länge mindestens eine Auflade-Zeitdauer beträgt,
wobei das Steuergerät weiterhin ausgebildet ist, um in jedem Zeitfenster:

– eine Angabe zu einem Zündzeitpunkt für einen dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder zu ermitteln;
– festzustellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt;
– um, wenn festgestellt wird, dass der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder um weniger als die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, einen Ladevorgangs für die Zündeinrichtung des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders zu starten.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und mit dem obigen Steuergerät vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das ein Computerprogramm enthält, das, wenn es auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, der in einer Motorbetriebsart mit teilweise abgeschalteten Zylindern betrieben werden kann;
2 ein Diagramm zur Darstellung der Zuordnung des Synchros zu den einzelnen Zylindern; und
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems der 1.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Zylinder Z1 bis Z4 aufweist. Den Zylindern Z1 bis Z4 wird über ein Luftzuführungssystem 3 Luft zugeführt, wobei die Luftmenge mit Hilfe einer Drosselklappe 4 eingestellt werden kann. Verbrennungsabgase werden über ein Abgasabführungssystem 5 von den Zylindern Z1 bis Z4 abgeführt.
An den Zylindern Z1 bis Z4 sind Einspritzventile 6 angeordnet, um Kraftstoff einzuspritzen. Alternativ zu dieser so genannten Direkteinspritzung kann der Kraftstoff auch in einem Saugrohrabschnitt des Luftzuführungssystems 3 eingespritzt werden. Die Zylinder Z1 bis Z4 sind weiterhin mit Zündeinrichtungen 7, wie z. B. Zündkerzen, versehen, die gesteuert durch eine Steuereinheit 10 einen Zündfunken generieren können, um ein in dem betreffenden Zylinder Z1 bis Z4 befindliches Luft-Kraftstoffgemisch zu entzünden.
Das von dem Verbrennungsmotor 2 bereitgestellte Drehmoment kann im Wesentlichen durch ein Variieren der Luftzufuhr in die Zylinder Z1 bis Z4 mit Hilfe der Drosselklappe 4 eingestellt werden. Weiterhin kann das von dem Verbrennungsmotor 2 bereitgestellte Drehmoment auch über eine Verstellung eines Zündzeitpunktes eingestellt werden.
Die Zylinder Z1 bis Z4 werden im Vollmotorbetrieb gemäß einem Viertaktverfahren versetzt zueinander betrieben. Jeder der Zylinder Z1 bis Z4 führt nacheinander einen Kompressionstakt zur Verdichtung von Frischluft im Zylinder Z1 bis Z4, einen Arbeitstakt zum Verbrennen eines Luft-Kraftstoffgemischs in dem Zylinder Z1 bis Z4, einen Ausstoßtakt zum Ausstoßen von Verbrennungsabgas aus dem Zylinder Z1 bis Z4 und einen Ansaugtakt zum Ansaugen von Frischluft durch. Der Versatz des Viertaktbetriebs der einzelnen Zylinder Z1 bis Z4 führt dazu, dass sich bei dem gezeigten Motorsystem nur einer der Zylinder Z1 bis Z4 im Arbeitstakt befindet. Bei Motorsystemen, bei denen der Verbrennungsmotor 2 mehr als vier Zylinder aufweist, können sich auch mehr als ein Zylinder gleichzeitig im Arbeitstakt befinden. Beispielsweise können bei einem 8-Zylinder-Motor zwei Zylinder synchron betrieben werden, so dass bezüglich deren Betriebstakte kein Versatz besteht.
Moderne Verbrennungsmotoren können in verschiedenen Motorbetriebsarten betrieben werden, bei denen einzelne Zylinder abgeschaltet werden. Bei einer Zylinderabschaltung können die Einlass- und Auslassventile des betreffenden Zylinders geschlossen gehalten werden, wobei nach Ablauf der letzten Verbrennung in dem betreffenden Zylinder das Auslassventil nicht mehr geöffnet wird. Die im Zylinder befindlichen Verbrennungsabgase können in Folge durch die Drehung der Kurbelwelle (nicht gezeigt) wechselweise komprimiert und expandiert werden, wobei zur Kompression ein zusätzliches Drehmoment erforderlich ist, das bei der Expansion wieder freigesetzt wird.
Beim Umschalten von einem Vollmotorbetrieb, bei dem alle Zylinder Z1 bis Z4 aktiv betrieben werden, zu einem Teilmotorbetrieb, bei dem mindestens einer der Zylinder passiv geschaltet ist, d. h. in dem nach der letzten Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches die Verbrennungsabgase nicht ausgestoßen werden und in Folge keine weitere Einspritzung erfolgt, soll in der Regel momentneutral erfolgen, d. h. ein Fahrer eines mit dem Motorsystem 1 betriebenen Kraftfahrzeugs soll beim Umschalten zwischen den Betriebsarten keine Drehmomentänderung spüren. Dies wird dadurch erreicht, dass vor dem Umschalten die Luftfüllung in den Zylindern erhöht wird, um eine Drehmomentenreserve aufzubauen. Während des Erhöhens der Luftfüllung wird der Zündzeitpunkt in den Zylindern bezüglich des oberen Totpunktes des Kolbens in dem betreffenden Zylinder Z1 bis Z4 nach spät verstellt, d. h. zu einem späteren Zeitpunkt in Richtung der Bewegung des Kolbens verschoben. Findet nun die Umschaltung statt und es wird einer der Zylinder Z1 bis Z4 passiv geschaltet, so stellt dieser Zylinder kein Antriebsmoment mehr zur Verfügung, so dass die übrigen Zylinder den Verlust des Antriebsmoments durch den abgeschalteten Zylinder auffangen müssen, indem das dort bereitgestellte Drehmoment erhöht wird. Dies erfolgt durch einen schnellen Momenteingriff, der durch eine Verstellung des Zündzeitpunkts hin zu einem frühen Zündzeitpunkt durchgeführt wird.
Zusätzlich bewirkt das in dem einen oder den mehreren passiven Zylindern befindliche, eingeschlossene Verbrennungsabgas ein so genanntes Gasfedermoment, das durch die Kompression und Expansion der Brennräume der passiven Zylinder hervorgerufen wird. Dieses Gasfedermoment muss durch die Gasfederkompensation kompensiert werden. Die Kompensation des Gasfedermoments erfolgt durch einen schnellen Momenteingriff, der jeweils bei einer Kompression des Verbrennungsabgases in dem Brennraum der passiven Zylinder zu einer Verstellung des Zündzeitpunktes des sich im Arbeitstakt befindlichen Zylinders nach früh (in zur Bewegungsrichtung des Kolbens entgegen gesetzten Richtung) führt und bei einer Expansion des Brennraums eines oder mehrerer der passiven Zylinder zu einer Verstellung des Zündzeitpunkts des momentan im Arbeitstakt befindlichen Zylinders nach spät (in Richtung des unteren Totpunkts) führt.
In 2 ist ein Diagramm gezeigt, das die einzelnen Takte der vier Zylinder Z1 bis Z4 über der Zeit dargestellt, wobei die einzelnen Takte versetzt zueinander ablaufen. Jeder der Takte bezeichnet eine Bewegung eines Kolbens zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt bzw. umgekehrt. Man erkennt, dass bei einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor immer nur einer der Zylinder Z1 bis Z4 einen Arbeitstakt ausführt, um ein Drehmoment bereitzustellen. Zum Durchführen von zeitlichen Ansteuerungen einen der Zylinder Z1 bis Z4 betreffend werden Zeitfenster definiert, in denen das Steuergerät 10 zeitliche Abläufe für einen bestimmten der Zylinder, der sich im Kompressionstakt T_Kom befindet, steuert. Ein solches Zeitfenster wird Synchro genannt. Das heißt das Steuergerät 10 führt eine Abfolge von Synchros auf, wobei jeder der Synchros einem der Zylinder zugeordnet ist. Jeder der Synchros S₁ bis S₄ ist zeitlich so gewählt, dass ein frühestmöglicher Zündzeitpunkt und ein spätestmöglicher Zündzeitpunkt für den zugeordneten Zylinder innerhalb des betreffenden Synchros liegen.
Wenn die einzelnen Takte des Viertaktbetriebs eine Kurbelwellendrehung von 180° betreffen (dies ist bei 4 Zylindern der Fall), entsprechen die Synchros S₁ bis S₄ einer Zeitdauer, die sich aus einer Bewegung eines Kolbens zwischen zwei Totpunkten ergibt. Insbesondere sind die Synchros S₁ bis S₄ so zu den Takten des Viertaktbetriebs angeordnet, dass ein Synchro bei einem Zeitpunkt beginnt, bei dem ein bestimmter Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt erreicht ist, und zu einem Zeitpunkt endet, bei einem Kurbelwellenwinkel, der um 180° größer ist, erreicht ist. Insbesondere kann ein Synchro für einen betreffenden Zylinder bei einem Kurbelwellenwinkel von 90° vor dem oberen Totpunkt vor dem Beginn des Arbeitstakts beginnen und bei einem Kurbelwellenwinkel von 90° nach dem betreffenden oberen Totpunkt, d. h. innerhalb des Arbeitstakts enden. Das Obige gilt für einen 4-Zylinder-Motor. Allgemein gilt, dass die Dauer des Synchros 720° (entsprechen zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, d. h. der Dauer für die vier Betriebstakte des Verbrennungsmotors) geteilt durch die Anzahl der Zylinder beträgt.
Beim Umschalten von einem Vollmotorbetrieb, bei dem alle Zylinder Z1 bis Z4 betrieben werden, zu einem Teilmotorbetrieb, bei dem beispielsweise die Zylinder Z2 bis Z4 betrieben werden und der Zylinder Z1 passiv geschaltet wird, wird nach dem Arbeitstakt T_Arbeit von Zylinder Z1 mit Erreichen des unteren Totpunkts t_tot4 das Auslassventil des Zylinders Z1 nicht geöffnet und so lange der Teilmotorbetrieb besteht werden Einlass- und Auslassventile des Zylinders Z1 geschlossen gehalten. Die Verbrennungsabgase, die mit dem letzten Arbeitstakt T_Arbeit im Brennraum des Zylinders Z1 verblieben sind, werden im Wechsel komprimiert und expandiert, so dass dieser Zylinder Z1 wie eine Gasfeder wirkt. Die Gasfeder bewirkt ein positives (antreibendes) Drehmoment (Gasfedermoment) bei einer Expansion des Brennraums und ein negatives (bremsendes) Gasfedermoment, das in Richtung des Lastmoments wirkt, bei einer Kompression des Brennraums dieses Zylinders Z1.
Während in dem Synchro S₁ kein Zündzeitpunkt festgelegt wird, werden in den Synchros S₂ bis S₄ Zündzeitpunkte so festgelegt, dass diese das jeweils wirkende Gasfedermoment des nicht aktiven Zylinders Z1 berücksichtigen. Das heißt im aktiven Synchro, der vor einem Kompressionstakt oder vor einem Ausstoßtakt des nicht aktiven Zylinders Z1 beginnt, muss das zusätzlich zur Kompression des Verbrennungsabgases indem abgeschalteten Zylinder Z1 benötigte Drehmoment durch eine entsprechende Verstellung des Zündzeitpunkts erzeugt werden. Beginnt der aktive Synchro zu einem Zeitpunkt, der vor einem Expansionstakt des nicht aktiven Zylinders Z1 liegt, so muss dies durch eine entsprechende Verstellung des Zündzeitpunkts berücksichtigt werden. Aus diesem Grund müssen die Zündzeitpunkte sehr schnell verstellt werden, um eine Gasfederkompensation durchzuführen.
Der Wert des Zündzeitpunkts wird beispielsweise mit Hilfe einer Funktion ermittelt, die einen Offset für den Zündzeitpunkt abhängig davon generiert, ob der betreffende Synchro zeitgleich mit einer Kompression oder einer Expansion der Gasfeder liegt. Der Offset für den Zündzeitpunkt wird dem jeweils aktuellen Zündzeitpunkt, der sich aus der herkömmlichen Motorsteuerung ergibt, addiert.
Zum Zünden einer Zündeinrichtung 7 ist eine Mindest-Aufladezeit der darin vorgesehenen Zündspule erforderlich, die eingehalten werden muss, um einen Zündfunken zu erzeugen. Weiterhin kann nach einem Beginn eines Aufladens der Zündspule der Zündvorgang auch nicht abgebrochen werden, sondern es muss ein Zündfunke erzeugt werden. Nun kann es, bedingt durch eine Kompression des Brennraums des nicht aktiven Zylinders Z1 vorkommen, dass der Zündfunke sehr früh innerhalb des Synchros erzeugt werden muss. Wird dies erst während (bzw. zu Beginn) des betreffenden Synchros festgestellt, so kann die verbleibende Zeitdauer bis zum Zündzeitpunkt so gering sein, dass unter Umständen die Mindestladezeit der Zündspule unterschritten wird. Selbst wenn der Ladevorgang für die Zündspule in diesem Fall sofort begonnen wird, wird der Zündfunke in diesem Synchro zu spät ausgelöst. Ein solcher Fall kann insbesondere bei höheren Drehzahlen vorkommen, wenn sich die Zeitdauer der Synchros, die sich an dem Winkelbereich der Bewegung des Kolbens orientiert und daher von der Drehzahl abhängt, verringert.
Aus diesem Grund ist vorgesehen, für jeden der den aktiven Zylindern Z2 bis Z4 zugeordneten Synchros eine Prädiktion durchzuführen, bei der ermittelt wird, wann in dem darauf folgenden Synchro ein Zündfunke abgesetzt werden soll.
In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Teilmotorbetrieb dargestellt. Das Verfahren betrifft die Verfahrensschritte innerhalb eines aktuellen Synchros der einem aktuellen Zylinder zugeordnet ist. In Schritt S1 wird überprüft, ob ein Ladevorgang für die Zündspule der Zündeinrichtung des aktuellen Zylinders gestartet worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S2 eine Angabe über einen prädizierten Zündzeitpunkt von dem vorangehenden Synchro übernommen und das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches durchgeführt, wenn der prädizierte Zündzeitpunkt erreicht worden ist. Wird in Schritt S1 festgestellt, dass kein Ladevorgang gestartet worden ist (Alternative: Nein), wird für den aktuellen Zylinder der benötigte Zündzeitpunkt ermittelt und das Laden der Zündspule mit der entsprechenden zeitlichen Vorauseilung gestartet (Schritt S6), um den Zündfunken rechtzeitig zu dem bestimmten Zündzeitpunkt auslösen zu können.
Weiterhin wird in Schritt S3 eine Prädiktion durchgeführt, zu welchem Zündzeitpunkt in dem als nächstes in den Arbeitstakt gelangenden Zylinder die Zündung erfolgen soll.
Wird in Schritt S4 insbesondere unter Berücksichtigung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 festgestellt, dass der Zündfunke zu einem Zeitpunkt innerhalb des nächsten Synchros abgesetzt werden soll, bei dem es nicht möglich ist, eine ausreichende Ladezeit innerhalb des nächsten Synchros für die Zündspule bereitzustellen (Alternative: Ja), wird in Schritt S5 für den aktuellen Synchro ein Laden der Zündspule für den dem darauf folgenden Synchro zugeordneten Zylinder begonnen. Für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass in dem Synchro S₃ bereits ermittelt bzw. prädiziert wird, bei welchem Zündwinkel eine Zündung in dem Zylinder Z2 erfolgen soll. Da der Zylinder Z2 einen Arbeitstakt aufweist, der zeitgleich mit einem Kompressionstakt des abgeschalteten Zylinders Z1 liegt, wird in dem aktuellen Synchro S₃ eine Verstellung des Zündzeitpunkts nach früh ermittelt. Liegt der so ermittelte Zündzeitpunkt innerhalb des darauf folgenden Synchros S₂ zu einem Zeitpunkt, der, unter Berücksichtigung der aktuellen Drehzahl, keinen Ladevorgang für eine Mindestladedauer der Zündeinrichtung gewährleistet, so wird noch während des Synchros S₃ mit dem Ladevorgang für die Zündeinrichtung des Zylinders Z2 begonnen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit mehreren Zylindern (Z1–Z4), wobei in einem Steuergerät (10) aufeinander folgende Zeitfenster, die jeweils einem Zylinder (Z1–Z4) zugeordnet sind, definiert sind, wobei in einem Zeitfenster jeweils eine Berechnung eines Zündzeitpunkts, ein Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung (7) und ein Auslösen einer Zündung bezüglich eines dem Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1–Z4) durchgeführt wird, wobei für eine Zündung der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung (7) gestartet werden muss, dessen zeitliche Länge mindestens eine Auflade-Zeitdauer beträgt, wobei in jedem Zeitfenster folgende Schritte durchgeführt werden: – Ermitteln einer Angabe zu einem Zündzeitpunkt für einen dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4); – Feststellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt; – wenn festgestellt wird, dass der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) um weniger als die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, Starten eines Ladevorgangs für die Zündeinrichtung (7) des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1–Z4).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Starten eines Ladevorgangs für die Zündeinrichtung (7) des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1–Z4) zu einem Zeitpunkt beginnt, der mindestens um die Auflade-Zeitdauer vor dem Zündzeitpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Starten des Aufladevorgangs für die Zündeinrichtung (7) bezüglich des dem aktuellen Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1–Z4) unterdrückt wird, wenn festgestellt wird, dass der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung (7) des aktuellen Zylinders (Z1–Z4) bereits gestartet worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei einer Motorbetriebsart mindestens einer der Zylinder (Z1–Z4) passiv ist und die übrigen Zylinder (Z1–Z4) aktiv sind, wobei bei dem Feststellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordnete Zylinder (Z1–Z4) um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, das durch den mindestens einen passiven Zylinder (Z1–Z4) bewirkte Drehmoment berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Zeitfenster, das dem mindestens einen passiven Zylinder (Z1–Z4) zugeordnet ist, das Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung (7) und das Auslösen einer Zündung unterdrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das jeweilige Zeitfenster den Zeitpunkt des oberen Totpunkts einer Bewegung eines Kolbens in dem dem Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) umfasst.
Steuergerät (10) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit mehreren Zylindern (Z1–Z4), wobei das Steuergerät (10) ausgebildet ist, um in aufeinander folgenden Zeitfenstern, die jeweils einem Zylinder (Z1–Z4) zugeordnet sind, jeweils eine Berechnung eines Zündzeitpunkts, ein Starten eines Aufladevorgangs für eine Zündeinrichtung (7) und ein Auslösen einer Zündung bezüglich eines dem Zeitfensterzugeordneten Zylinders (Z1–Z4) durchzuführen, wobei für eine Zündung der Aufladevorgang für die Zündeinrichtung (7) gestartet werden muss, dessen zeitliche Länge mindestens eine Auflade-Zeitdauer beträgt, wobei das Steuergerät weiterhin ausgebildet ist, um in jedem Zeitfenster: – eine Angabe zu einem Zündzeitpunkt für einen dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) zu ermitteln; – festzustellen, ob der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) um mindestens die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt; – um, wenn festgestellt wird, dass der Zündzeitpunkt für den dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinder (Z1–Z4) um weniger als die Auflade-Zeitdauer nach dem Beginn des nachfolgenden Zeitfensters liegt, einen Ladevorgangs für die Zündeinrichtung (7) des dem nachfolgenden Zeitfenster zugeordneten Zylinders (Z1–Z4) zu starten.
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einem Steuergerät (10) nach Anspruch 7.
Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm enthält, das, wenn es auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.