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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mindestens einen Zylinder und einen variablen Ventiltrieb aufweisenden, insbesondere als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine, wobei deren Drehzahl zeitweise unter die Leerlaufdrehzahl sinken kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
EP 2 591 215 B1 ist eine Kraftfahrzeugnockenwellenverstellvorrichtung bekannt, mit welcher eine Phasenlage einer Nockenwelle verändert oder auf eine zeitweise konstante Phasenlage eingestellt werden kann. In einem Motorstartbetriebsmodus wird mittels der Nockenwellenverstellvorrichtung ein Ventilöffnungswinkelbereich eingestellt, der kleiner als ein geometrischer Normalöffnungswinkelbereich ist. Durch ausgeprägt dynamische Eigenschaften des Nockenwellenverstellers soll es möglich sein, den Ventilöffnungsbereich auf einen Wert zu reduzieren, der sich aus der Differenz aus dem Normalöffnungswinkelbereich und nahezu dem Nockenwellenstellbereich ergibt. Mit dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl ist nach der
EP 2 591 215 B1 eine Umschaltung auf einen Normalbetriebsmodus vorgesehen, in welchem eine konstante Phasenlage der Nockenwelle eingestellt ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren einer variierbare Steuerzeiten aufweisenden Brennkraftmaschine anzugeben, welches besonders für Betriebsphasen unterhalb der Leerlaufdrehzahl, insbesondere bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-System, geeignet ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer mindestens einen Zylinder und einen verstellbaren Ventiltrieb aufweisenden Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, sowie durch eine Steuerungseinheit für eine Brennkraftmaschine, welche zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
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Das Verfahren kommt in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zum Einsatz, in welchen sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine ändert. Hierbei kann die Drehzahl zunehmen oder abnehmen, wobei das Drehzahlniveau oberhalb oder unterhalb der Leerlaufdrehzahl liegen kann. Insbesondere kann es sich um eine Betriebsphase handeln, in der die Drehzahl unterhalb des Niveaus der Leerlaufdrehzahl zunächst sinkt und anschließend wieder erhöht wird. Ein solches Szenario wird auch als eine „change-of-mind“ Situation bezeichnet. Bei diesem Szenario wird davon ausgegangen, dass zunächst ein Abstellvorgang der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, indem zum Beispiel bei noch rollendem Fahrzeug durch ein Start-Stopp-System ein Stopp-Signal, etwa beim Zurollen auf eine rote Ampel, ausgegeben wird. Aufgrund einer detektierten geänderten Verkehrslage, etwa einer Ampelumschaltung auf „grün“ und/oder eines Kommandos des Fahrers kann im Rahmen einer „change-of-mind“ Situation noch vor dem Stillstand der Brennkraftmaschine deren Drehzahl wieder erhöht werden, wobei für diesen Vorgang bei nicht zu weit abgesunkener Drehzahl kein Starter der Brennkraftmaschine benötigt wird.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei Brennkraftmaschinen mit verstellbarem Ventiltrieb typischerweise mehrere Verstellmechanismen gegeben sind, mit welchen die Füllung des Zylinders beziehungsweise - bei Mehrzylindermotoren - der Zylinder beeinflusst werden kann. Diese unterschiedlichen Verstellmechanismen werden allgemein zum einen als periphere Verstellvorrichtung und zum anderen als zylindernahe Verstellvorrichtung bezeichnet. Maßgebend für die Klassifizierung der Verstellvorrichtungen als „peripher“ beziehungsweise „zylindernah“ ist die Gasströmung zum Zylinder. Das in Richtung Zylinder strömende Gas trifft zunächst auf die periphere Verstellvorrichtung, insbesondere eine Drosselklappe. Auch ein Saugrohr verstellbarer Länge fällt unter den Begriff „periphere Verstellvorrichtung“.
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Nach dem Durchströmen der peripheren Verstellvorrichtung gelangt das einströmende Gas zu mindestens einem Element, insbesondere Einlassventil, welches mittels der zylindernahen Verstellvorrichtung beeinflussbar ist. Bei der zylindernahen Verstellvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Nockenwellenversteller, insbesondere einen elektromechanisch betätigten Nockenwellenversteller, um einen Ventiltrieb mit schaltbaren Nockenfolgern, beispielsweise Schlepphebeln, Schalttassen oder Stößeln, um ein Schiebenockensystem oder um einen elektrohydraulisch betätigten Ventiltrieb handeln, sofern dieser mit ausreichend Öldruck auch bei niedrigsten Drehzahlen versorgt ist. Ebenso kann die zylindernahe Verstellvorrichtung Teil eines Ventiltriebs sein, welcher keinerlei mechanische Verbindung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufweist.
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In allen Fällen ist die Zylinderfüllung der Brennkraftmaschine sowohl durch die periphere als auch durch die zylindernahe Verstellvorrichtung beinflussbar, wobei gemäß der Erfindung bei einer Drehzahländerung die verschiedenen Verstellvorrichtungen in ungleich wirkender Weise verstellt werden. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass eine der Verstellvorrichtungen in Richtung einer höheren Zylinderfüllung verstellt wird, während die zweite Verstellvorrichtung in Richtung einer geringeren Füllung des Zylinders verstellt wird. Ebenso ist es möglich, während einer Drehzahländerung, insbesondere Drehzahlabsenkung, eine der Verstellvorrichtungen, insbesondere die periphere Verstellvorrichtung, unverändert zu lassen, während die andere Verstellvorrichtung verstellt wird.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird während des Sinkens der Drehzahl der Brennkraftmaschine die periphere Verstellvorrichtung im Vergleich zur zylindernahen Verstellvorrichtung auf eine höhere Zylinderfüllung eingestellt. Dies kommt insbesondere in Situationen in Betracht, in welchen die Drehzahl weniger als die Leerlaufdrehzahl beträgt, jedoch ein rasches Hochlaufen der Brennkraftmaschine möglich sein soll. Die im Vergleich zur zylindernahen Verstellvorrichtung auf eine relativ hohe Zylinderfüllung eingestellte periphere Verstellvorrichtung sorgt in diesem Fall dafür, dass der Saugrohrdruck im Vergleich zu einem üblichen Abstellvorgang hoch bleibt, was sich günstig auf die Wiederstartfähigkeit des Motors auswirkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur bei einem Wiederstart im Rahmen einer „change-of-mind“ Situation zum Einsatz kommen, sondern auch beim schlichten Abstellen der Brennkraftmaschine. Beim Abstellen einer Brennkraftmaschine gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Zylinderfüllung beeinflussende Verstellvorrichtungen einzustellen. Zum einen sind Einstellungen möglich, die eine starke Durchströmung mit Gas und entsprechend hohe Strömungsverluste bewirken. Hieraus ergibt sich ein sehr schnelles Absinken der Drehzahl, das heißt ein schnelles Stoppen des Motors, jedoch damit einhergehend auch eine beträchtliche Erzeugung von Schwingungen. Unter NVH (noise vibration harshness)-Gesichtspunkten ist ein solches schnelles Abstellen der Brennkraftmaschine daher nicht optimal.
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Ein unter NVH-Gesichtspunkten optimiertes Abstellen des Verbrennungsmotors sieht daher vor, dass die Zylinderfüllung während des Abstellvorgangs minimiert wird, woraus ein weiches „Ablegen“ des Verbrennungsmotors resultiert. Nachteilig hierbei ist jedoch die längere Dauer des Abstellvorgangs.
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Dieser Zielkonflikt wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die verschiedenen Verstellvorrichtungen der Brennkraftmaschine in sich scheinbar widersprechender Weise verstellt werden, wobei durch die mittels der verschiedenen Verstellvorrichtungen einstellbaren Elemente, insbesondere Drosselklappe und Gaswechselventile, nicht nur die Zylinderfüllung, sondern auch der Druck im Raum zwischen den genannten Elementen beeinflusst wird.
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Während des Abstellens der Brennkraftmaschine ist die zylindernahe Verstellvorrichtung, insbesondere ein Nockenwellenversteller, vorzugsweise auf eine Einlassventilschließzeit der Brennkraftmaschine eingestellt, welche einem Winkelbetrag der Kurbelwelle entspricht, der mindestens 20° oder 25°, bevorzugt mindestens 40°, besonders bevorzugt mindestens 60°, vor oder nach dem unteren Ladungswechseltotpunkt der Brennkraftmaschine liegt.
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Bei einem Fahrzeug mit Start-Stopp-System wird während des Auslaufens der Brennkraftmaschine, wenn die Drehzahl bereits unter der Leerlaufdrehzahl liegt und weiter absinkt, vor dem Erreichen einer Drehzahlgrenze, bis zu welcher ein selbsttätiges Hochlaufen der Brennkraftmaschine möglich ist, die zylindernahe Verstellvorrichtung in Richtung einer höheren Zylinderfüllung verstellt. Durch diese Maßnahme wird ein besonders schneller Wiederstart der Brennkraftmaschine, mit welchem der Abstellvorgang abrupt abgebrochen wird, begünstigt. Dies gilt auch dann, wenn in dieser Phase des Betriebs der Brennkraftmaschine die verschiedenen Verstellvorrichtungen in gleichwirkender Weise verstellt werden. In jedem Fall kann durch ein Wiederstartsignal, sofern dies vor dem Erreichen der genannten Drehzahlgrenze vorliegt, ein schnelles und auch unter NVH-Gesichtspunkten komfortables Hochlaufen der Brennkraftmaschine ausgelöst werden, wobei zumindest die zylindernahe Verstellvorrichtung in Richtung einer weiter erhöhten Zylinderfüllung verstellt wird.
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Das anschließende Hochlaufen der Brennkraftmaschine bis zur Leerlaufdrehzahl geschieht vorzugsweise unter einer signifikanten weiteren Verstellung der zylindernahen Verstellvorrichtung. Hierbei erfolgt ab dem Zeitpunkt des Wiederstartsignals bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl eine Änderung von einer ersten Einstellposition zu einer zweiten Einstellposition, wobei der zur Verfügung stehenden Stellbereich der zylindernahen Verstellvorrichtung bevorzugt zu mindestens einem Viertel, insbesondere zu mindestens der Hälfte, ausgenutzt wird. Mindestens eine der genannten Einstellpositionen der zylindernahen Verstellvorrichtung kann mit einer Extremposition der Verstellvorrichtung übereinstimmen. Dies gilt insbesondere für zylindernahe Verstellvorrichtungen, welche nur diskrete Einstellmöglichkeiten aufweisen. Auch bei zylindernahen Verstellvorrichtungen mit kontinuierlichen Einstellmöglichkeiten unterscheidet sich während des Wiederstarts jede der genannten Einstellpositionen vorzugsweise stärker von der anderen Einstellposition als von derjenigen Extremposition der Verstellvorrichtung, welche der jeweiligen Einstellposition am ähnlichsten ist.
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Weiter können beim Hochlaufen der Brennkraftmaschine bis zur Leerlaufdrehzahl und darüber hinaus jegliche an sich bekannte Maßnahmen eingeleitet werden, welche zu einer höheren Zylinderfüllung beitragen. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang eine eventuelle Aufladung, beispielsweise mittels eines Turboladers oder eines mechanisch oder elektrisch angetriebenen Verdichters zu nennen. Während des durch eine „change-of-mind“ Anforderung ausgelösten Hochlaufens der Brennkraftmaschine, beginnend von einem Drehzahlniveau unterhalb der Leerlaufdrehzahl, können auch kurzfristige Kommandos, die entweder durch den Fahrer gegeben oder automatisch, etwa durch ein System zur Erkennung des Umfelds des Fahrzeugs, generiert werden, im Rahmen der sogenannten Aufstartstrategie berücksichtigt werden. Beispielsweise kann aufgrund eines Signals, welches während des sogenannten Aufstartens der Brennkraftmaschine, das heißt dem erneuten Hochlaufen nach Unterschreitung der Leerlaufdrehzahl, entgegen eines zuvor gegebenen Befehls keine Drehmomentabgabe, sondern lediglich einen Leerlaufbetrieb anfordert, in die Motorsteuerung eingegriffen werden. Durch einen solchen Eingriff ist es möglich, bereits während des Aufstartens die Füllung der zu befeuernden Zylinder durch Verstellung der zylindernahen und/oder peripheren Verstellvorrichtung zurückzunehmen.
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Wird dagegen die genannte Drehzahlgrenze unterschritten, so ist definitionsgemäß kein selbsttätiges Hochlaufen der Brennkraftmaschine mehr möglich. In diesem Fall, das heißt beim Abstellen der Brennkraftmaschine oder beim Absenken der Drehzahl bis auf ein Niveau, welches das Betätigen eines Starters ermöglicht, wird die zylindernahe Verstellvorrichtung vorzugsweise auf eine geringe Zylinderfüllung verstellt.
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Nachfolgend werden verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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- 1 in einem Diagramm den Drehzahlverlauf sowie die Einstellungen verschiedener Verstellvorrichtungen beim Abstellen einer Brennkraftmaschine,
- 2 in einem Diagramm analog 1 eine „change-of-mind“ Situation beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
- 3 in einem Flussdiagramm Zusammenhänge bei einer „change-of-mind“ Situation.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden wird vom Betrieb einer als mehrzylindrige, insbesondere vierzylindrige, Hubkolbenmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine, kurz auch als Verbrennungsmotor oder Motor bezeichnet, in einem Kraftfahrzeug ausgegangen. Die Brennkraftmaschine wird zunächst, wie aus 1 hervorgeht, mit einer Drehzahl n betrieben, welche der Leerlaufdrehzahl nL entspricht. Hiervon ausgehend wird die Brennkraftmaschine abgestellt, wobei ein Stopp-Signal beispielsweise durch ein Start-Stopp-System des Kraftfahrzeugs generiert wird.
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In 1 ist zusätzlich zur Drehzahl n der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eine Stellung eines Nockenwellenverstellers der Brennkraftmaschine sowie einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine dargestellt. Hierbei ist der Nockenwellenversteller zwischen einer ersten Einstellung Sa und einer zweiten Einstellung Sb verstellbar. Mit DS sind in 1 mögliche Drosselklappenstellungen der Brennkraftmaschine bezeichnet. Die schraffierte, sich im Laufe der Zeit t öffnende Fläche symbolisiert unterschiedliche Strategien zur Verstellung der Drosselklappe während des Abstellens der Brennkraftmaschine, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen wird. Die Einstellung des Phasenwinkels der Nockenwelle, nämlich Einlassnockenwelle, der Brennkraftmaschine in Relation zur Winkelstellung der Kurbelwelle - kurz: Nockenwelleneinstellung - ist in 1 mit NS bezeichnet.
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Die Verstellung des Nockenwellenverstellers von der ersten Einstellung Sa zur zweiten Einstellung Sb bedeutet eine Verstellung in Richtung höherer Zylinderfüllung während des Auslaufens des Verbrennungsmotors. Die Drosselklappenstellung kann hierbei konstant gehalten werden. Dabei führt eine geschlossene Drosselklappe zu einem besonders guten NVH-Verhalten und eine offene Drosselklappe zu einem unter NVH-Gesichtspunkten weniger guten Verhalten. Alternativ zu einer konstanten Drosselklappenstellung kann während des Abstellens des Verbrennungsmotors dessen Drosselklappe oder Drosselklappen in zunächst paradox wirkender Weise zumindest geringfügig geöffnet werden. Durch beide, einerseits den Nockenwellenversteller und andererseits die Drosselklappe betreffenden Maßnahmen, welche auch kombiniert angewendet werden können, wird ein vibrationsarmes und dennoch zügiges Abstellen der Brennkraftmaschine bewirkt. Diese Eigenschaften sind besonders dann von Bedeutung, wenn, wie in 2 veranschaulicht, während des Abstellvorgangs ein Wiederstart der Brennkraftmaschine erfolgen soll.
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Der Zeitpunkt, zu dem ein Wiederstartsignal gegeben wird, ist mit tw bezeichnet. Die Drehzahlgrenze, das heißt minimale Drehzahl, bis zu welcher ein Wiederstart der Brennkraftmaschine möglich ist, ist mit nw bezeichnet. Die Drehzahlgrenze nw ist im Szenario nach 2 etwa zum mit tH bezeichneten spätesten Hochlaufzeitpunkt erreicht. Noch bevor das Wiederstartsignal gegeben wird, also innerhalb eines Szenarios, in dem vom Abstellen des Motors ausgegangen wird, wird die Drosselklappe des Verbrennungsmotors derart eingestellt, dass ein schneller Wiederstart möglich ist. Auf diese Weise bleibt im Saugrohr des Verbrennungsmotors ein ausreichend hoher Druck aufrechterhalten, um durch eine schnelle Verstellung des Nockenwellenverstellers, auch als zylindernahe Verstellvorrichtung bezeichnet, ein schnelles Hochlaufen des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Zur Unterscheidung vom Nockenwellenversteller ist die Drosselklappe als periphere Verstellvorrichtung bezeichnet.
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Gerade beim Aufstarten der Brennkraftmaschine kommen somit die Vorteile der scheinbar widersprüchlichen Betätigung der verschiedenen Verstellvorrichtungen im Drehzahlbereich unterhalb der Leerlaufdrehzahl nL zur Geltung. Insbesondere in einer initialen Phase des Abstellvorgangs, bei abnehmender Drehzahl, kann die zylindernahe Verstellvorrichtung zumindest geringfügig in Richtung einer höheren Zylinderfüllung verstellt werden, um eine mögliche „change-of-mind“ Situation vorzubereiten.
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Anhand 3 werden im Folgenden Voraussetzungen erläutert, die für das Szenario nach 2, das heißt den Wiederstart des Verbrennungsmotors im Rahmen einer „change-of-mind“ Situation, erfüllt sein müssen.
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Im Verfahrensschritt S1 wird ein Abstellvorgang eingeleitet. Dies kann entweder durch expliziten Wunsch des Fahrers oder durch ein Start-Stopp-System erfolgen. Das Start-Stopp-System kann beispielsweise in der Lage sein, eine rote Ampel zu erkennen, sodass der Abstellvorgang bereits bei noch rollendem Fahrzeug eingeleitet wird.
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Nachdem der Abstellvorgang eingeleitet wurde, erfolgt bei noch laufendem Motor in Verfahrensschritt S2 eine permanente Prüfung, ob ein Wiederstart der Brennkraftmaschine noch möglich wäre, das heißt eine „change-of-mind“ Situation berücksichtigt werden könnte. Gleichzeitig wird im Verfahrensschritt S3 permanent geprüft, ob eine „change-of-mind“ Anforderung durch den Fahrer gegeben ist. Alternativ könnte eine „change-of-mind“ Entscheidung auch automatisch, beispielsweise durch optische Erfassung und Auswertung der Umgebung des Kraftfahrzeugs, getroffen werden. Sind beide in den Schritten S2 und S3 geprüften Bedingungen erfüllt, so wird im Schritt S4 automatisch die Entscheidung getroffen, den Wiederstart einzuleiten. Der Wiederstart selbst, das heißt das Hochlaufen des Verbrennungsmotors zumindest bis zur Leerlaufdrehzahl nL, ist in 3 als Schritt S5 bezeichnet.
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Bezugszahlenliste
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- DS
- Drosselklappenstellung
- n
- Drehzahl
- nL
- Leerlaufdrehzahl
- NS
- Nockenwelleneinstellung
- Sa
- erste Einstellung des Nockenwellenverstellers
- Sb
- zweite Einstellung des Nockenwellenverstellers
- S1
- Verfahrensschritt
- S2
- Verfahrensschritt
- S3
- Verfahrensschritt
- S4
- Verfahrensschritt
- S5
- Verfahrensschritt
- t
- Zeit
- tH
- Hochlaufzeitpunkt
- tW
- Zeitpunkt der Wiederstartanforderung