DE102014002737A1

DE102014002737A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102014002737A1
Application number: DE102014002737.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang FIMML; Erika Schäfer; Jan Boyde
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN106460682B; CN106460682A; DE102014002737B4; US20160369708A1; WO2015128057A1; US10316764B2

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgestellt. Bei dem Verfahren wird eine Lastschwelle (102) definiert, unterhalb derer eine Lastregelung mit einer Drosselklappe (104, 114) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit variablem Ventiltrieb und einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Als Verbrennungsmotoren werden Brennkraftmaschinen bezeichnet, die in Kraftfahrzeugen als Antrieb verwendet werden. Diese sind Wärmekraftmaschinen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umwandeln. Als Brennräume dienen Zylinder, in denen jeweils ein Kolben geführt ist.
Zum Einlassen für das zu zündende Kraftstoff-Gas-Gemisch in die Zylinder werden Ventile verwendet. So werden bei Dieselmotoren Einlassventile eingesetzt, um reine Luft einzulassen. Der Kraftstoff wird durch Einspritzdüsen eingespritzt. Bei Gasmotoren wird ein zuvor verdichtetes Luft-Gas-Gemisch über Einlassventile in die Zylinder eingebracht. Zur Steuerung der Ventile ist ein Mechanismus vorgesehen, der als Ventilsteuerung oder Ventiltrieb bezeichnet wird. Durch Öffnen und Schließen der Ventile wird der Ladungswechsel des Verbrennungsmotors gesteuert. Regelmäßig werden Ventile von einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle angetrieben wird, über einen Stößel geöffnet. Als Ladungswechsel wird dabei das Austauschen des im Zylinder enthaltenen Gemisches bezeichnet.
Ein variabler Ventiltrieb bzw. eine variable Ventilsteuerung ermöglicht eine variable Öffnungszeit, einen variablen Ventilhub und eine variable Spreizung und reduziert durch die Beeinflussung der Ladungswechselarbeit, der Gemischaufbereitung und der Verbrennung den Kraftstoffverbrauch. Mit einem solchen variablen Ventiltrieb kann die Last des Motors gesteuert werden. Hierfür ist ein sogenanntes Ventilsteuerungsmanagement (VCM: Valve Control Management) erforderlich. So kann über Beeinflussung der Öffnungs- und Schließzeiten der einzelnen Zylinder die Last und damit die Leistung des Motors gesteuert und somit auch geregelt werden.
Es ist zu berücksichtigen, dass im Niedriglastbereich die Handhabung des variablen Ventiltriebsystems erschwert ist, da das Ventil in seiner Aufwärtsbewegung gebremst und wieder geschlossen werden muss, um kurze Öffnungszeiten zu realisieren. Dies geht auf Kosten der Genauigkeit und ist für sehr kurze Ventilöffnungszeiten technisch nicht umsetzbar.
Ein weiteres Problem besteht in der Bestimmung der Luftmasse im Zylinder. Bei einem variablen Ventiltriebsystem wird ein Luftmassensensor verbaut, allerdings hat dieser bei den auftretenden geringen Luftmassenströmen im Niedriglastbereich nur eine ungenügende Genauigkeit.
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb vorgestellt, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist, wobei eine Lastregelung vorgenommen wird, bei der oberhalb einer definierten Lastschwelle eine Drosselklappe geöffnet wird und ein Regler als Stellgröße eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt und unterhalb der Lastschwelle die Lastregelung mit der Drosselklappe erfolgt und ein fester Wert für die Ventilsteuerzeit vorgegeben wird.
Die Drosselklappe ist ein Bauteil, das sich im Saugrohr zum Einlassventil befindet. Mit dieser kann die Strömungsmenge zum Einlassventil reguliert werden. Diese besteht in vielen Fällen lediglich aus einem drehbar gelagerten Blech. Im geschlossenen Zustand wird durch die Drosselklappe das Saugrohr verschlossen.
In einer Ausführungsform wird die Lastschwelle auf einen Wert bei etwa 1/8 der maximalen Last festgelegt.
Es kann vorgesehen sein, dass oberhalb der Lastschwelle die Drosselklappe vollständig geöffnet wird.
Es wird weiterhin eine Anordnung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb vorgestellt, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist. Diese Anordnung ist insbesondere zur Durchführung eines vorstehend erörterten Verfahrens geeignet. Die Anordnung ist dazu eingerichtet, eine Lastregelung vorzunehmen, wozu ein Regler, der als Stellgröße eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt, und eine Drosselklappe vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Last zu betätigen ist.
Es kann folglich durch die Kombination einer Drosselklappe mit einem variablen Ventiltrieb die Niedriglastregelung des Motors verbessert werden. Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird unterhalb einer definierten Teillast die Leistung des Motors mit einer Drosselklappe und einem festen Winkel für Einlassventilschließzeit geregelt. Oberhalb der definierten Teillast wird die Drosselklappe voll geöffnet und die Leistung über eine Vorgabe der Einlassventilschließzeit geregelt. Dies löst die beiden vorstehend genannten Probleme. Das Einlassventil kann somit länger geöffnet bleiben, was die Handhabung vereinfacht. Gleichzeitig kann der Luftmassenstrom über ein Luftaufwandkennfeld bestimmt werden.
Zu beachten ist, dass bei einem variablen Ventiltriebsystem insbesondere kleinere Ventilhübe technisch schwer zu realisieren sind, da das Ventil in seiner Aufwärtsbewegung abgefangen werden muss, um zum korrekten Schließzeitpunkt im Ventilsitz anzukommen. Außerdem ist es bei Systemen mit einem Luftmassenmesser schwierig, die Luftmasse im Niedriglastbereich zu messen, weil die Auslegung des Luftmassensensors auf die Luftmasse im Maximallastbereich erfolgt. Durch das Feststellen der Einlassventilschließzeit kann nunmehr die Luftmasse genügend genau über ein Luftmasse genügend genau über ein Luftaufwandkennfeld abgeschätzt werden.
Es wird weiterhin ein ergänzendes Verfahren vorgestellt, das zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit variablem Ventiltrieb dient, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist. Dabei wird oberhalb der Lastschwelle die Last- bzw. Leistungsregelung vorgenommen, indem ein Regler, bspw. ein einschleifiger Regler, z. B. ein PI-Regler, als Stellgröße eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt. Die Ventilsteuerzeit jedes Zylinders wird durch einen Vorsteuerwert angepasst. Die Stellgröße umfasst somit Ventilsteuerzeiten für jeden Zylinder, mit dem jeweils das mindestens eine dem Zylinder zugeordnete Einlassventil angesteuert wird, wobei ein Schließwinkel bzw. ein Schließzeitpunkt vorgegeben wird.
In einer Ausführung wird der Vorsteuerwert addiert, d. h. die Stellgröße wird um den Vorsteuerwert erhöht.
Der Vorsteuerwert ergibt sich in Ausgestaltung aus einer Lastsprungerhöhung und einer Solllast jeweils zu einem Zeitpunkt t. Bei der Ermittlung des Vorsteuerwerts können auch alternativ oder ergänzend eine Drehzahlsprungerhöhung und eine Solldrehzahl berücksichtigt werden.
Das vorgestellte Verfahren kann bei einem Dieselmotor oder einem Gasmotor eingesetzt werden.
Es wird weiterhin eine ergänzende Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit variablem Ventiltrieb vorgestellt, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist. Die Anordnung ist insbesondere zur Durchführung eines vorstehend erörterten Verfahrens geeignet. Dabei ist Anordnung dazu eingerichtet ist, eine Lastregelung vorzunehmen, wozu ein Regler, der als Stellgröße eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt, und ein Glied, das die Ventilsteuerzeit jedes Zylinders durch einen Vorsteuerwert anpasst, vorgesehen sind. Als Glied dient bspw. ein Addierer.
Insbesondere bei Motoren, die starken Lastschwankungen ausgesetzt sind, kann mit dem vorgestellten Verfahren ein Einbruch der Drehzahl infolge eines Lastsprungs vermindert werden. Zudem kann im Falle eines Lastabwurfs ein starkes Überdrehen, was vom Fahrer als störend wahrgenommen werden kann, abgefangen werden.
Es erfolgt somit die Bestimmung eines Datensatzes von Ventilsteuerzeiten bzw. Last-Paaren für die Vorsteuerung auf eine solche Weise, dass zu einer geforderten Last eine passende Ventilsteuerzeit hinterlegt ist. Dadurch lassen sich bei einem Gasmotor, bei dem die Lastanforderung aus dem Generatorsignal bekannt ist, die Ventile in kürzester Zeit so ansteuern, dass die geforderte Last abgebildet werden kann. Ohne diese Vorsteuerung benötigt der Regler einen viel längeren Zeitraum, um die korrekte Ventilsteuerzeit einzustellen. Der zusätzlich vorhandene bspw. einschleifige Regler gleicht kleinerer Abweichungen in Drehzahl aus.
Das ergänzende Verfahren ermöglicht es somit, dass bei starken Lastauf- und Abschaltungen eines Motors der Einbruch oder Anstieg der Drehzahl des Motors abgefangen wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
2 zeigt den Ablauf eines ergänzenden Verfahrens.
3 zeigt in drei Graphen Signalverläufe.
In 1 ist die Lastregelung unter Hinzunahme einer Drosselklappe verdeutlicht. Die Darstellung zeigt einen Pfeil 100, an dem die Last von 0% bis 100% aufgetragen ist. Weiterhin zeigt die Darstellung eine Lastschwelle 102, die mit einer gestrichelten Linie verdeutlicht ist und auch als Niedriglastschwelle bezeichnet wird. Diese liegt bei dieser Ausführung bei etwa 200 kW, was 1/8 der maximalen Last entspricht.
Unterhalb der Lastschwelle 102 ist eine Drosselklappe 104 leicht geöffnet. Der Hub des Einlassventils ist in einem Graphen 106 verdeutlicht, an dessen Abszisse 108 ein Winkel Φ und an dessen Ordinate 110 der Hub aufgetragen ist. Der Einlassventilschließwinkel Φ_S 112 ist konstant. Die Lastregelung erfolgt über die Drosselklappe 104.
Oberhalb der Lastschwelle 102 ist eine Drosselklappe 114 offen. Der Hub des Einlassventils ist in einem Graphen 116 verdeutlicht, an dessen Abszisse 118 ein Winkel Φ und an dessen Ordinate 120 der Hub aufgetragen ist. Der Einlassventilschließwinkel Φ_S 122 ändert sich in Abhängigkeit des Hubs. Die Lastregelung erfolgt über den Einlassventilschließwinkel Φ_S 122 und somit über ein Ventilsteuerungsmanagement, das die Ventilschließzeiten vorgibt. Somit wird zur Lastregelung eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgegeben.
In 2 ist das Prinzip der Ventil-Vorsteuerung gemäß dem ergänzenden Verfahren beschrieben. Dieses kommt bei einem Verbrennungsmotor mit variablem Ventiltrieb zum Einsatz, der es ermöglicht, die Ventilsteuerzeit jedes einzelnen Zylinders vorzugeben. Die Zylinder sind somit einzeln steuerbar. Zu beachten ist, dass das Verfahren im Rahmen einer globalen Regelung der Last bzw. Leistung des Verbrennungsmotors eingesetzt wird, wobei eine Vorsteuerung für jeden Zylinder einzeln vorgegeben werden kann.
2 zeigt eine Regelstrecke, die eine Ausführung der beschriebenen Anordnung darstellt und insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Regler 12, in diesem Fall einen PI-Regler, und einen Verbrennungsmotor 14. Als Eingangsgröße 16 der Regelstrecke 10 dient der Wert Last Soll |^t und damit die Solllast des Verbrennungsmotors zum Zeitpunkt t. Eine Differenz dieser Größe mit der Regelgröße 18 Last Ist |^t, die Ist-Last zum Zeitpunkt t, bildet eine Eingangsgröße 20 des Reglers 12. Dieser gibt eine Stellgröße 22, die Ventilsteuerzeit für jeden einzelnen Zylinder, aus. Bevor diese Stellgröße 22 in den Verbrennungsmotor 14 eingegeben wird, wird dieser ein Vorsteuerwert 24, nämlich ΔVCM = f(Δ Last Soll |^t, Last Soll |^t) in diesem Fall aufaddiert, so dass sich eine angepasste bzw. erhöhte Stellgröße 26 zur Vorgabe der Ventilsteuerzeit, typischerweise bezogen auf die Totpunkte der einzelnen Zylinder, der einzelnen Zylinder ergibt.
Dieser Vorsteuerwert 24 ergibt sich aus der Änderung der Solllast zum Zeitpunkt t bzw. der Lastsprunghöhe zum Zeitpunkt t und der Solllast zum Zeitpunkt t. Zur Anpassung der Stellgröße 22 ist ein Glied 28 vorgesehen, das bei der gezeigten Ausführung als Addierer ausgebildet ist und den Vorsteuerwert 24 auf die Stellgröße 22 addiert, um so die angepasste Stellgröße 26 zu erhalten. Der Vorsteuerwert 24 kann sich auch alternativ oder ergänzend aus einer Änderung der Solldrehzahl zum Zeitpunkt t und der Solldrehzahl zum Zeitpunkt t ergeben.
Der Wert für den Vorsteuerwert 24 kann grundsätzlich berechnet werden oder auch einem Kennfeld entnommen werden. Dieses Kennfeld kann bspw. mittels einer Simulation ermittelt werden.
Es erfolgt somit eine Vorsteuerung bei einem Verbrennungsmotor 14 mit variabler Ventilsteuerung mit schneller Reaktion, der Regler 12 kann ggf. schwächer dimensioniert werden, so dass ein übermäßiges Überschwingen verhindert werden kann. Bei Auftreten eines Lastsprungs wird der Wert für die Ventilsteuerung, nämlich die Stellgröße 22, in Abhängigkeit der Lastsprunghöhe und der aktuellen Last ”künstlich” erhöht, damit der Verbrennungsmotor 14 seinen Betriebspunkt früher erreicht. Als Stellgröße 22 und somit auch als angepasste Stellgröße 26 werden dabei der Schließwinkel bzw. der Schließzeitpunkt des Einlassventils vorgegeben.
3 verdeutlicht in drei Graphen die Auswirkungen des beschriebenen Verfahrens. Die den gezeigten Verläufen zugrunde liegenden Messungen zeigen im Inselbetrieb eine deutliche Reduktion des Drehzahleinbruchs. In einem ersten Graphen 30 ist an einer Abszisse 32 die Zeit [s] und an einer Ordinate 34 die Generatorleistung [kW] aufgetragen. Eine Kurve 36 zeigt den sprunghaft ansteigenden Verlauf der Sollleistung. Diese Kurve 36 zeigt bei 21 s eine Laststeigerung von 200 kW auf 700 kW.
In einem zweiten Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Zeit [s] und an einer Ordinate 54 der Ventilsteuerwert [°KW] aufgetragen. Eine erste Kurve 56 zeigt den Verlauf des Ventilsteuerwerts ohne Vorsteuerung, eine zweite Kurve 58 zeigt den Verlauf des Ventilsteuerwerts mit Vorsteuerung. Der Vorsteuerwert 60 ist mit einem Doppelpfeil verdeutlicht.
Zu erkennen ist, dass mit der Vorsteuerung der Verbrennungsmotor wesentlich schneller eingeregelt und das Überschwingen deutlich reduziert ist.
In einem dritten Graphen 70 ist an einer Abszisse 72 die Zeit und an einer Ordinate 74 die Drehzahl [1/min] aufgetragen. Eine erste Kurve 76 zeigt den Verlauf der Solldrehzahl, eine zweite Kurve 78 zeigt den Drehzahlverlauf ohne Vorsteuerung und eine dritte Kurve 80 den Drehzahlverlauf mit Vorsteuerung. Die Vorsteuerung bewirkt somit einen deutlich geringeren Drehzahleinbruch 82, wie dieser mit einem Doppelpfeil verdeutlicht ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (14) mit variablem Ventiltrieb, wobei der Verbrennungsmotor (14) mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist, wobei eine Lastregelung vorgenommen wird, bei der oberhalb einer definierten Lastschwelle (102) eine Drosselklappe (104, 114) geöffnet wird und ein Regler (12) als Stellgröße (22) eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt und unterhalb der Lastschwelle (102) die Lastregelung mit der Drosselklappe (104, 114) erfolgt und ein fester Wert für die Ventilsteuerzeit vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lastschwelle (102) auf einen Wert bei etwa 1/8 der maximalen Last festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem oberhalb der Lastschwelle (102) die Drosselklappe (104, 114) vollständig geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lastregelung oberhalb der Lastschwelle (102) vorgenommen wird, indem ein Regler (12) als Stellgröße (22) eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt, wobei die Ventilsteuerzeit jedes Zylinders durch einen Vorsteuerwert (24, 60) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Vorsteuerwert (24, 60) addiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Regler (12) ein einschleifiger Regler verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem sich der Vorsteuerwert (24, 60) aus einer Lastsprungerhöhung und einer Solllast ergibt.
Anordnung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (14) mit variablem Ventiltrieb, wobei der Verbrennungsmotor (14) mindestens einen Zylinder umfasst, dem jeweils wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anordnung dazu eingerichtet ist, eine Lastregelung vorzunehmen, wozu ein Regler (12), der als Stellgröße (22) eine Ventilsteuerzeit für jeden Zylinder vorgibt, und eine Drosselklappe (104, 114) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Last zu betätigen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, bei der als Regler (12) ein einschleifiger Regler vorgesehen ist.