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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 601 29 392 T2 offenbart einen Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis für eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, die einen Kolben, der durch einen Hub in dem Motor bewegbar ist und einen Kolbenbolzen aufweist. Ferner ist eine Kurbelwelle vorgesehen, die die Hin- und Herbewegung des Kolbens in Drehbewegung ändert und einen Kurbelwellenzapfen aufweist. Der Mechanismus umfasst eine Vielzahl von Verbindungen, die den Kolbenbolzen mechanisch mit dem Kurbelwellenzapfen verbinden. Ferner umfasst der Mechanismus eine Steuerwelle, die sich parallel zu einer Achse der Kurbelwelle erstreckt. Darüber hinaus ist ein Exzentnernocken vorgesehen, der so an der Steuerwelle angebracht ist, dass eine Mitte des Exzentnernocken zu einer Mitte der Steuerwelle exzentrisch ist. Ferner umfasst der Mechanismus ein Steuerglied, das an einem ersten Ende mit einer der Vielzahl von Verbindungen verbunden und an einem zweiten Ende mit dem Exzentnernocken verbunden ist.
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Es ist ein Aktor vorgesehen, der die Steuerwelle innerhalb eines vorgegebenen geregelten Winkelbereichs antreibt und der die Steuerwelle in einer erwünschten Winkelstellung so hält, dass sich ein Verdichtungsverhältnis des Motors durch Antreiben der Steuerwelle in einer ersten Drehrichtung kontinuierlich verringert, wenn sich wenigstens eines von Motordrehzahl und Motorlast von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert, relativ höher als der erste Wert, ändert, und so, dass sich das Verdichtungsverhältnis durch Antreiben der Steuerwelle in einer zweiten Drehrichtung, entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung, kontinuierlich erhöht, wenn sich wenigstens eines von Motordrehzahl und Motorlast von dem zweiten Wert auf den ersten Wert ändert. Ein Abstand von der Mitte der Steuerwelle zu einer Mittellinie des Steuerglieds, die sowohl durch einen Verbindungspunkt des ersten Endes als auch einen Verbindungspunkt des zweiten Endes verläuft, gemessen mit dem Kolben an dem oberen Todpunkt ist so bemessen, dass sich der Abstand kontinuierlich verkleinert, während sich das Verdichtungsverhältnis verringert.
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Die
DE 102 38 060 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Innenbrennkraftmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung und variablen Kompressionsverhältnis. Es wird ein gefordertes Ausgangsdrehmoment des Motors festgestellt. Ferner wird ein laufender Verbrennungsmodus und eine laufende Kompressionsverhältnisbetriebsart des Motors ermittelt. Darüber hinaus wird der Motorbetrieb vom laufenden Verbrennungsmodus in einen neuen Verbrennungsmodus zur Erzeugung des geforderten Ausgangsdrehmoments überführt. Darüber hinaus wird der Motorbetrieb von der laufenden Kompressionsverhältnisbetriebsart in eine neue Kompressionsverhältnisbetriebsart überführt, um Drehmomentfluktuationen während des Übergangs vom laufenden Verbrennungsmodus in den neuen Verbrennungsmodus zu verringern. Die Verfahren weisen weiteres Potential auf, den Betrieb der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses zu verbessern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches einen verbesserten Betrieb der Stelleinrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens wird die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem eine Last der Verbrennungskraftmaschine charakterisierenden Signal betrieben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis erst dann von einem ersten auf einen dazu unterschiedlichen, zweiten Wert eingestellt wird, wenn der zweite einzustellende Wert des Verdichtungsverhältnisses, von einem von dem die Last charakterisierenden Signal abhängigen Soll-Signal zum Einstellen des einzustellenden Werts, mindestens über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg vorgegeben wird. Mit anderen Worten wird das einzustellende Verdichtungsverhältnis nicht bereits dann auf den zweiten Wert eingestellt, wenn das Soll-Signal den zweiten Wert vorgibt und somit die Stelleinrichtung eigentlich zum Verstellen des aktuell vorliegenden Verdichtungsverhältnisses anleitet. Vielmehr wird das Einstellen des zweiten Werts des Verdichtungsverhältnisses um die vorgebbare Zeitspanne verzögert.
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Der Stelleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine kommt insbesondere die Aufgabe zu, dass Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Dabei ergibt sich eine wesentliche Abhängigkeit des Verdichtungsverhältnisses von der Last und damit beispielsweise von einer Pedalstellung eines Fahrpedals, welche von einem Fahrer des Kraftwagens vorgegeben wird. Durch diese Pedalstellung ruft der Fahrer eine gewünschte Last, das heißt ein gewünschtes Drehmoment, von der Verbrennungskraftmaschine ab. Die Pedalstellung und damit die Lastanforderung durch den Fahrer kann je nach Fahrweise schnell und häufig schwanken. Insbesondere kann es bei einem kräftigen Beschleunigen und einem damit einhergehenden Gangwechsel eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Getriebes des Kraftwagens mit der Verbrennungskraftmaschine herkömmlicherweise zu häufigen Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses kommen, die die Fahrdynamik beeinträchtigten können.
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Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Getriebe als Handschaltgetriebe ausgebildet ist und somit der Gangwechsel manuell durchzuführen ist. Herkömmlicherweise wird die Stelleinrichtung derart geregelt bzw. gesteuert, dass auf die schwankende Pedalstellung und damit die schwankende Lastanforderung zumindest unmittelbar reagiert wird und ein der Lastanforderung entsprechendes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Diese häufigen Verstellungen führen dazu, dass ein Motor, insbesondere ein Elektromotor, der Stelleinrichtung, mittels welchem das Verdichtungsverhältnis einzustellen ist, besonders leistungsfähig, thermisch stabil und hinsichtlich seiner Dimensionen groß ausgelegt werden muss. Dies geht ebenso einher, mit einem besonders hohen Gewicht der Stelleinrichtung, was das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine unerwünschter Weise ansteigen lässt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind derartig häufige und insbesondere unnötige Verstellungen auf Grund des häufigen und schnellen Schwankens der Pedalstellung und damit der Lastanforderung vermieden. Dieses Nichtdurchführen von Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses, obwohl die Lastanforderung des Fahrers eine entsprechende Verstellung erfordern würde, wirken sich dabei nicht oder nicht relevant erhöhend auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine aus. Vielmehr kann die Leistungsaufnahme und damit die Energieaufnahme der Stelleinrichtung gegenüber den häufigen Verstellungen gering gehalten werden, was im Endeffekt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen führt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Stelleinrichtung effizienter und somit besser betrieben werden. Insbesondere vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Stelleinrichtung unnötige, insbesondere unnötige hohe Werte, des Verdichtungsverhältnis einstellt und deshalb, bei gegebener Stellgeschwindigkeit der Stelleinrichtung die Dynamik des Kraftwagens beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ermöglichen es das erfindungsgemäße Verfahren und die durch diese beschriebene Steuer- bzw. Regelungsstrategie der Stelleinrichtung, die Stelleinrichtung bzw. dessen Motor bedarfsgerecht in seiner Leistungsaufnahme auszugestalten, so dass dieser hinsichtlich seiner Dimensionen und seines Gewichts möglichst gering ausgelegt und ausgestaltet werden kann. Dies geht einher mit einem geringen Bauraumbedarf der Stelleinrichtung, so dass sich Package-Probleme, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens, welcher beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet ist, vermeiden und/oder lösen lassen.
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Ferner ermöglicht es das Verfahren, die Kosten der Stelleinrichtung und damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine gering zu halten. Durch die Vermeidung der sehr häufigen und unnötigen Verstellungen und Einstellungen des Verdichtungsverhältnisses wird der Motor der Stelleinrichtung auch weniger stark belastet, so dass dieser eine höhere Funktionserfüllungssicherheit auch über eine hohe Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine hinweg aufweist.
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Bei der Analyse von realen Fahrzyklen hat es sich gezeigt, dass häufig Lastschwankungen auftreten, ausgehend von einem anfänglichen Lastniveau zu einem dem gegenüber geringeren Lastniveaus, denen innerhalb kürzester Zeit eine Änderung hin zu wieder hohen Lastniveaus folgt. Dies ist insbesondere bei einem Gangwechsel beim Beschleunigen des Kraftwagens der Fall. Das Soll-Signal würde hierbei herkömmlicherweise ausgehend von einem relativ geringen Verdichtungsverhältnis ein demgegenüber höheres einzustellendes Verdichtungsverhältnis vorgeben. Kurz darauf würde das Soll-Signal ein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses hin zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis vorgeben. In diesem Fall ist es möglich, ohne merklichen Kraftstoffverbrauchnachteil, auf diese zweimalige Verstellung zu verzichten. Dabei wird nicht jede Änderung des Soll-Signals umgesetzt. Vielmehr werden lediglich die tatsächlich notwendigen Verstellungen und Einstellungen des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen, um so den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen insgesamt gering zu halten sowie eine hohe Dynamik der Verbrennungskraftmaschine und damit des gesamten Kraftwagens darzustellen.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis ausgehend von einem aktuell vorliegenden Wert auf einen demgegenüber höheren Wert erst dann verstellt wird, wenn das Soll-Signal den einzustellenden höheren Wert länger als eine vorgebbare Zeitspanne vorgibt, welche beispielsweise in einem Bereich von einschließlich im Wesentlichen einer Sekunde bis einschließlich im Wesentlichen 1,5 Sekunden liegt. Dadurch ist eine Art Bedämpfung des Soll-Signals dargestellt, welche unnötige, schnelle, häufige und hektische Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses und entsprechende Stellbewegungen der Stelleinrichtung, insbesondere des Motors, vermeidet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Zeichnung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgenden in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der Figur ein Schaubild mit einem zeitlichen Verlauf eines Signals, welches das Motormoment und damit die Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine charakterisiert, mit einem zeitlichen Verlauf eines Soll-Signals, welches ein ausgehend von dem aktuell vorliegenden Motormoment und damit der Last einzustellendes Verdichtungsverhältnis charakterisiert, einem Ist-Signal, welches ein aktuell vorliegendes Verdichtungsverhältnis einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit herkömmlicher Verstellstrategie charakterisiert und mit einem zeitlichen Verlauf eines Ist-Signals, welches ein Verdichtungsverhältnis charakterisiert, das sich mit der Verstellstrategie nach der vorliegenden Erfindung ergibt.
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Das Streben nach der Reduzierung von Kraftstoffverbräuchen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen führt dazu, Stelleinrichtungen einzusetzen, mittels welchen wenigstens ein jeweiliges Verdichtungsverhältnis der zugehörigen Hubkolben-Brennkraftmaschine einzustellen ist. Eine solche Stelleinrichtung ermöglicht es, das Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen und an vorliegende Fahrsituationen und Betriebszustände angepasst und bedarfsgerecht einzustellen.
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Die Stelleinrichtung wird dabei von einer Steuereinrichtung, insbesondere einem Steuergerät, der Hubkolben-Brennkraftmaschine geregelt. Eine Regelstrategie zum Regeln der Stelleinrichtung ist anhand der Figur veranschaulicht.
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Die Figur zeigt ein Diagramm 10, auf dessen Abszisse 12 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 14 fortlaufend aufgetragen ist. Auf einer ersten Ordinate 16 des Diagramms 10 sind Werte des variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnisses der Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 18 aufsteigend aufgetragen. Auf einer zweiten Ordinate 20 des Diagramms 10 sind Werte eines Drehmoments und damit einer Last der Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 22 aufsteigend aufgetragen. Die Werte für das Drehmoment bzw. die Last haben dabei die Einheit Newtonmeter (Nm).
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In dem Diagramm 10 ist ein erster Verlauf 26 eines Soll-Signals eingetragen. Das Soll-Signal charakterisiert dabei Werte des Verdichtungsverhältnisses, auf welche das Verdichtungsverhältnis ausgehend von dem zweiten Verlauf 28, dem Momentenverlauf eingestellt werden soll. Der Verlauf 28 korrespondiert dabei zu Pedalstellungen und damit Bewegungen eines Fahrpedals. Mittels des Fahrpedals, welches in einem Cockpit eines Personenkraftwagens mit der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet ist, kann ein Fahrer des Personenkraftwagens eine gewünschte Last von der Hubkolben-Brennkraftmaschine anfordern. Der dritte Verlauf 24 stellt den Ist-Verlauf des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine mit herkömmlicher Verstellstrategie für das Verdichtungsverhältnis über der Zeit dar. Der vierte Verlauf 30 stellt dem gegenüber den Verlauf des Verdichtungsverhältnisses über der Zeit für eine Hubkolbenmaschine mit der erfindungsgemäßen Verstellstrategie dar.
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Wie der Figur zu entnehmen ist, hängt der Verlauf 26 des Soll-Signals insbesondere von der Last und damit von den Pedalstellungen des Fahrpedals ab. Entsprechend hängt auch das Verstellen des Verdichtungsverhältnisses ausgehend von einem aktuell vorliegenden Wert hin zu einem einzustellenden Wert von der Last und damit von den Pedalstellungen ab. Dies ist der Fall, da dass Verdichtungsverhältnis insbesondere auf Lastpunkte der Hubkolben-Brennkraftmaschine eingestellt wird, um das Verdichtungsverhältnis so an thermodynamische Erfordernisse der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen. So kann diese besonders effizient und mit einem besonders geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, was mit geringen CO2-Emissionen einhergeht.
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Wie in Bereichen 32 und 34 der Figur dargestellt, kann es jedoch je nach Fahrweise des Fahrers zu einer häufigen Schwankung der Pedalsstellung über eine relativ geringe Zeitspanne hinweg kommen. Mit diesen Schwankungen geht eine Schwankung der Last bzw. der Lastanforderungen durch den Fahrer einher, was dem Verlauf 28 in den Bereichen 32 und 34 zu entnehmen ist. Damit einher geht ferner auch eine entsprechend starke Schwankung des Verlaufs 26 des Soll-Signals.
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Würde nun unmittelbar auf die Schwankung und damit auf eine Änderung des Soll-Signals eine entsprechende Verstellung des Verdichtungsverhältnisses folgen, so würde dies zu häufigen Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne führen. Dies würde einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, mittels welchem das Verdichtungsverhältnis einstellbar und somit verstellbar ist, relativ stark belasten. Dies würde wiederum dazu führen, den Elektromotor besonders robust und hinsichtlich seiner Dimensionen und seiner Leistungsaufnahme groß auslegen zu müssen. Ferner würden diese häufigen Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses bzw. dessen Werte zu einer häufigen und relativ hohen Energieaufnahme, insbesondere Stromaufnahme, des Motors führen, was die Verbrauchsreduzierung durch die Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses überkompensieren würde.
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Um diese Problematik zu vermeiden ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis ausgehend von dem Soll-Signal und damit ausgehend von einem aktuell geforderten Motormoment nur dann auf einen durch das Soll-Signal vorgegebenen, unterschiedlichen Wert eingestellt wird, wenn das Soll-Signal diesen einzustellenden Wert mindestens über eine gewisse Zeitdauer hinweg zumindest im Wesentlichen konstant vorgibt. Diese Zeitdauer liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich im Wesentlichen einer Sekunde bis einschließlich wenigstens 1,5 Sekunden für die Verstellung auf ein höheres Verdichtungsverhältnis, für die Verstellung in Richtung auf ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis kann sie kleiner sein. Mit anderen Worten, folgt das Ist-Signal dem Soll-Signal und damit das tatsächlich eingestellte Verdichtungsverhältnis bzw. dessen Wert dem einzustellenden Verdichtungsverhältnis bzw. dessen Wert nur dann, wenn das Soll-Signal bzw. der einzustellende Wert über die gewisse Zeitdauer zumindest im Wesentlichen konstant vorliegt. Dies ist in der Figur beispielhaft in einen Bereich 36 dargestellt.
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Mit anderen Worten wird bei dem anhand der Figur illustrierten Verfahren die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses zeitlich verzögert. So werden die unnötigen und häufigen Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses in einer relativ kurzen Zeitdauer auf Grund des häufigen und schnellen Schwankens der Pedalstellung vermieden. Dabei wird die Verstellung in Richtung auf ein höheres Verdichtungsverhältnis starker verzögert, da dies ohne Beeinträchtigung des Verbrennungsablaufes der Hubkolbenmaschine geschehen kann. In der Richtung auf ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis wird jedoch nur wenig verzögert oder sogar sofort verstellt, um Klopferscheinungen bei der Verbrennung zu vermeiden, ohne dafür eine Rücknahme des Zündzeitpunkts vornehmen zu müssen. D. h. die Hubkolbenmaschine kann in diesem Fall mit dem optimalen globalen Wirkungsgrad betrieben werden. Im Fall der Verdichtungsanhebung kann hingegen eine kurzzeitige Verschlechterung des globalen Wirkungsgrades mit Rücksicht auf die Verstellvorrichtung hingenommen werden, da die Hubkolbenmaschine in diesem Fall mit geringerer Last betrieben wird und damit der Einfluss auf den Gesamtenergieverbrauch geringer ist.
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Wie der Figur zu entnehmen ist, folgt die Stelleinrichtung bzw. deren Motor bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verstellstrategie lediglich einer unteren Umhüllenden des Soll-Signals. Dadurch wird es vermieden, dass die Stelleinrichtung unnötigerweise ausgehend von einem eingestellten Verdichtungsverhältnis ein dazu höheres Verdichtungsverhältnis in Folge einer zeitlich vorhergehenden Verdichtungsverhältnisreduzierung einstellt. Vielmehr ermöglicht es das anhand der Figur gezeigte Verfahren, hohe Dynamiken der Hubkolben-Brennkraftmaschine und damit des Personenkraftwagens darzustellen und dennoch das Stellsystem so einfach wie möglich zu gestalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Diagramm
- 12
- Abszisse
- 14
- Richtungspfeil
- 16
- Ordinate
- 18
- Richtungspfeil
- 20
- Ordinate
- 22
- Richtungspfeil
- 24
- dritter Verlauf (herkömmlicher Steller, grün)
- 26
- erster Verlauf (Soll, blau)
- 28
- zweiter Verlauf (Momentenverlauf, ocker)
- 30
- vierter Verlauf (Steller mit Verzögerung, rot)
- 32
- Bereich
- 34
- Bereich
- 36
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60129392 T2 [0002]
- DE 10238060 A1 [0004]
