DE102015015538A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2), wobei erfindungsgemäß mittels eines mit einer Kurbelwelle (2.7) der Verbrennungskraftmaschine (2) starr gekoppelten integrierten Startergenerators (1) bei Parameteränderungen der Verbrennungskraftmaschine (2) derart ein Drehmoment (M) an die Kurbelwelle (2.7) übertragen oder ein Drehmoment (M) von der Kurbelwelle (2.7) aufgenommen wird, dass eine Änderungsrate eines von der Kurbelwelle (2.7) abgegebenen Drehmoments innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Aus der DE 197 41 965 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt, bei dem eine Drehbeschleunigung jedes einzelnen Zylinders erfasst wird und Abweichungen zwischen Drehbeschleunigungen der einzelnen Zylinder von einer Motorregelung durch Änderung einer zugeteilten Kraftstoffmenge für jeden einzelnen Zylinder ausgeglichen werden, um eine Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine zu Stabilisieren.
  • Weiterhin ist aus der WO 2008/080380 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Antriebseinheit mit mehreren Zylindern in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem angetriebenen Element bekannt. Hierbei wird eine Zustandsgröße des angetriebenen Elements in einer Steuereinheit gespeichert, wobei mittels der Zustandsgröße ein eine Rückwirkung des angetriebenen Elements auf die Antriebseinheit berücksichtigendes indiziertes Motormoment bestimmt wird. Mittels des indizierten Motormoments wird ein Arbeitsfehler der Zylinder bestimmt, wobei mittels des für jeden Zylinder bestimmten Arbeitsfehlers eine Befeuerung der einzelnen Zylinder in deren nachfolgendem Arbeitstakt korrigiert wird. Das angetriebene Element empfängt von einer mit der Antriebseinheit gekoppelten Antriebswelle ein Drehmoment oder gibt ein Drehmoment an diese ab.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In dem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird erfindungsgemäß mittels eines mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine starr gekoppelten integrierten Startergenerators bei Parameteränderungen der Verbrennungskraftmaschine derart ein Drehmoment an die Kurbelwelle übertragen oder ein Drehmoment von der Kurbelwelle aufgenommen, dass eine Änderungsrate eines von der Kurbelwelle abgegebenen Drehmoments innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
  • Vom integrierten Startergenerator (ISG) können aber auch weitere Drehmomenteingriffe auf die Kurbelwelle erfolgen so auch alle Drehmomenteingriffe, welche im Stand der Technik über eine Verschiebung des Zündwinkels erfolgen. Zusätzlich sind durch den integrierten Startergenerator nicht nur negative Drehmomenteingriffe möglich, wie bei der Zündwinkelverstellung, sondern es sind auch positive Drehmomenteingriffe einstellbar, was die Möglichkeiten der Umsetzung von Umschaltstrategien stark erweitert.
  • Somit können insbesondere Umschaltungen zwischen verschiedenen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine drehmomentneutral, d. h. ohne von Drehmomentsprüngen innerhalb der Verbrennungskraftmaschine hervorgerufene Drehmomentschläge, Momenten-Ungleichgewichte und Scherkräfte auf der Kurbelwelle, durchgeführt werden. Zumindest können diese Drehmomentsprünge, Drehmomentschläge, Momenten-Ungleichgewichte und Scherkräfte signifikant verringert werden, so dass von Lastwechseln, Betriebspunktänderungen und Drehzahländerungen der Verbrennungskraftmaschine hervorgerufene Schwingungen derselben verringert oder vermieden werden können. Daraus folgend wird ein Fahrkomfort eines mittels der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs signifikant gesteigert. Weiter kann durch Vermeidung von Zündwinkelrückzügen der Verbrennungsmotor stets mit einem optimaleren Wirkungsgrad betrieben werden, was sich positiv im Kraftstoffverbrauch wiederspiegelt. Dabei eignet sich der integrierte Startergenerator einerseits aufgrund seiner starren Kopplung mit der Kurbelwelle und andererseits aufgrund seiner Eigenschaften als elektrische Maschine besonders gut zur Übertragung und Aufnahme von Drehmomenten, da mittels einer solchen elektrischen Maschine bei besonders einfacher Ansteuerung Drehmomente präzise und sehr schnell erzeugbar und aufnehmbar sind. Hierbei sind auch in schneller Abfolge auftretende Drehmomentsprünge ausgleichbar oder zumindest verringerbar.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch ein Blockschaltbild einer mit einem integrierten Startergenerator gekoppelten Verbrennungskraftmaschine.
  • In der einzigen 1 ist ein Blockschaltbild einer mit einem integrierten Startergenerator 1 gekoppelten Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel sechs Brennräume 2.1 bis 2.6 und eine Kurbelwelle 2.7, auf welcher in bekannter, jedoch nicht näher dargestellter Weise sechs Kolben gelagert sind. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Verbrennungskraftmaschine 2 eine andere Anzahl von Brennräumen 2.1 bis 2.6, welche beliebig angeordnet sein können. Bei anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Verbrennungskraftmaschine eine andere Zahl von Brennräumen, auch Zylinder genannt, auf. So können auch vier oder acht Brennräume bei der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein.
  • Insbesondere handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine 2 um einen Ottomotor, welcher mit einer nicht gezeigten Zündeinrichtung betrieben wird und zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 2 erfolgt anhand eines nicht gezeigten so genannten Momentenmodells.
  • Eine Eingangsgröße des Momentenmodells ist ein Wunschdrehmoment Mw, auch als Fahrerwunschmoment bezeichnet, welches vom Fahrer mittels eines Fahrpedals 3 vorgegeben und von einer Motorsteuerung 4 interpretiert wird. Mittels des Momentenmodells wird eine Sollfüllung der Brennräume 2.1 bis 2.6 der Verbrennungskraftmaschine 2 realisiert, wobei eine Luftmenge pro Brennraum 2.1 bis 2.6 und ein Arbeitsspiel vorgegebenen werden. Basierend hierauf werden weitere Parameter zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 ermittelt. Diese weiteren Parameter umfassen beispielsweise einen Drosselklappenwinkel, einen Zündwinkel, eine Einspritzmenge- und Einspritzzeitpunkte, welche entsprechend des Wunschdrehmomentes Mw beziehungsweise des Betriebspunktes berechnet werden.
  • Um alle Potenziale der Verbrennungskraftmaschine 2 auszunutzen und diese in einem wirkungsgradoptimalen Bereich zu betreiben, wird die Verbrennungskraftmaschine 2 mit unterschiedlichen Betriebsarten betrieben. In Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsstrategien und angeforderter Betriebspunkte wird zwischen diesen Betriebsarten umgeschaltet, wodurch es beispielsweise zu sprunghaften Änderung des abgegebenen Drehmoments aufgrund von so genannten Füllungssprüngen oder Lambdasprüngen kommen kann. Aus solchen sprunghaften Änderungen resultieren Drehmomentsprünge, welche Schwingungen oder so genanntes Ruckeln der Verbrennungskraftmaschine 2 und somit des Fahrzeugs hervorrufen und dadurch einen Fahrkomfort beeinträchtigen.
  • Die Kompensation dieser Drehmomentsprünge erfolgt im Allgemeinen über so genannte Zündwinkeleingriffe, d. h. eine Änderung eines Zündwinkels genauer eine Änderung eines Zündzeitpunktes im Bezugssystem Kolbenposition-Kurbelwellenwinkel.
  • Zur Ermittlung des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine 2 in einem Normalbetrieb derselben wird zunächst gemäß W =∫p·dV (1) eine von der Verbrennungskraftmaschine 2 pro Zyklus abgegebene Arbeit W unter Kenntnis eines Verlaufs eines Druckes p innerhalb der Brennräume 2.1 bis 2.6 und einer Kinematik der Verbrennungskraftmaschine 2 berechnet.
  • Wird diese Arbeit W auf ein Hubvolumen VH des jeweiligen Brennraums 2.1 bis 2.6 normiert, ergibt sich gemäß
    Figure DE102015015538A1_0002
    ein indizierter Mitteldruck pmi.
  • Gemäß
    Figure DE102015015538A1_0003
    ergibt sich ein indiziertes Drehmoment Mi mit einer Anzahl i von Arbeitsspielen pro Umdrehung für eine Anzahl von Zylindern z. Die Anzahl i von Arbeitsspielen pro Umdrehung beträgt bei 4-Takt-Ottomotoren 0,5.
  • Dieses indizierte Drehmoment Mi der Verbrennungskraftmaschine 2 wird in dem Momentenmodell abgebildet, wobei bei der Berechnung des indizierten Drehmoments Mi von einem optimalen Drehmoment ausgegangen wird, welches bei einer bestimmten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2, einer bestimmten Füllung der Brennräume 2.1 bis 2.6 und einer optimalen Schwerpunktlage, beispielsweise bei ca. 8°KWnZOT, vorliegt. Dabei beschreibt y°KWnZOT einen Wert y eines Winkels, um den sich die Kurbelwelle 2.7 (= KW) im Vergleich zu ihrem Stand, an dem sich ein entsprechender Kolben im zentralen oberen Totpunkt (= ZOT) befindet, weitergedreht hat.
  • Dieses optimale Drehmoment und ein zugehöriger optimaler Zündwinkel, welche jeweils in Kennfeldern über einer Drehzahl und Füllung hinterlegt sind, ergeben sich durch Zündwinkelvariationen in verschiedenen Betriebspunkten. Zusätzlich ist ein Basiszündwinkel für Kennfeldbereiche, in welchen aufgrund einer so genannten klopfenden Verbrennung keine Schwerpunktlagen von 8°KWnZOT fahrbar sind, applizierbar.
  • Eine Differenz aus dem optimalen Zündwinkel und dem Basiszündwinkel ergibt einen Deltazündwinkel, mit welchem eine Zündwinkelwirkungsgradkennlinie adressiert wird. Ein Produkt eines sich daraus ergebenden Zündwinkelwirkungsgrades, des optimalen Drehmoments und eines so genannten Lambdawirkungsgrades ergibt ein modelliertes Istdrehmoment.
  • Wie oben beschrieben, kann es beispielsweise bei Umschaltungen zwischen verschiedenen Betriebsarten zu sprunghaften Änderungen der Istfüllung innerhalb der Brennräume 2.1 bis 2.6 und somit zu Drehmomentsprüngen kommen. Um diese mittels der Zündwinkeleingriffe zu kompensieren, wird zunächst ein so genannter schneller Momentenpfad freigegeben. In diesem Zustand wird die Zündung nicht mehr über die applizierten Kennfelder und den Basiszündwinkel gestellt, sondern in einer Momentenstruktur berechnet. Aus dem Wunschdrehmoment Mw wird zunächst ein Sollmoment für den Momentenpfad gebildet. Dieses Sollmoment wird mit dem optimalen Drehmoment der neuen Betriebsart ins Verhältnis gesetzt, woraus sich der notwendige Zündwinkelwirkungsgrad ergibt, um den Drehmomentsprung zu kompensieren. Mit dem Zündwinkelwirkungsgrad wird eine Zündwinkelwirkungsgradkennlinie adressiert, woraus sich ein entsprechender Sollzündwinkel ergibt.
  • Diese Zündwinkeleingriffe ermöglichen jedoch ausschließlich eine Beeinflussung des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine 2 in negativer Richtung, d. h. eine Verringerung desselben. Weiter ist ein Stellbereich des Zündwinkels oder so genannten Zündwinkelrückzügen begrenzt, da nur in bestimmten Bereichen in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens ein zuverlässig zündfähiges Gemisch im Brennraum 2.1 bis 2.6 vorliegt. Ferner steigt eine thermische Belastung von Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 2 einem Abgasstrang mit zunehmender Verschiebung zu späteren Zündzeitpunkten stark an. Zusätzlich ist auch eine Vorsteuerung des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine 2 für solche Betriebspunkte nur mit einer begrenzten Genauigkeit möglich.
  • Ferner wird das Momentenmodell im Allgemeinen einmalig in einer Applikationsphase für einen Typ einer Verbrennungskraftmaschine 2 optimiert. Durch spezifische Serientoleranzen zwischen verschiedenen Verbrennungskraftmaschinen 2 eines Typs können Abweichungen zum applizierten Momentenmodell auftreten. Zudem weist eine Zündwinkelwirkungsgradkurve bei großen Zündwinkelrückzügen einen steilen Gradienten auf, wodurch bereits geringe Abweichungen zum Momentenmodell einen großen Einfluss auf das resultierende Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 2 haben und damit die Genauigkeit der Vorsteuerung beeinträchtigt wird. Weiterhin ist eine Verbrennung gemäß des Prinzips des Ottomotors vor allem bei späten Zündwinkeln zyklischen Schwankungen unterlegen, welche zusätzlich eine genaue Vorsteuerung erschweren. Außerdem ist mit Zündwinkelrückzügen der Wirkungsgrad des Motors absichtlich schlecht abgestimmt um das gewünschte Moment einzustellen, wodurch sich diese Eingriffe auch negativ im Verbrauch niederschlagen. Diese Nachteile werden mit der vorliegenden Erfindung verbessert.
  • Um diese Nachteile zu überwinden, wird mittels des mit der Kurbelwelle 2.7 der Verbrennungskraftmaschine 2 starr gekoppelten integrierten Startergenerators 1 bei Parameteränderungen der Verbrennungskraftmaschine 2, d. h. insbesondere bei Umschaltungen zwischen verschiedenen Betriebsarten, derart ein Drehmoment M an die Kurbelwelle 2.7 übertragen oder ein Drehmoment M von der Kurbelwelle 2.7 aufgenommen, dass eine Änderungsrate des von der Kurbelwelle 2.7 abgegebenen Drehmoments innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Dabei wird ein mittels des integrierten Startergenerators 1 zu übertragenes oder aufzunehmendes Sollmoment in Abhängigkeit des Arbeitsspiels und/oder Arbeitstaktes der Verbrennungskraftmaschine 2 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird das Sollmoment brennraumabhängig und/oder in Abhängigkeit einer Stellung der Kurbelwelle 2.7 ermittelt. Somit können definierte Drehmomente M kurbelwinkelsynchron oder arbeitsspielsynchron, im Folgenden auch als segmentsynchron bezeichnet, zur Kompensation der Drehmomentsprünge erzeugt oder aufgenommen werden.
  • Die starre Kopplung zwischen Kurbelwelle 2.7 und integriertem Startergenerator 1 stellt dabei eine genaue Synchronisierung beider Komponenten sicher. Dabei ist mittels des als elektrische Maschine ausgebildeten integrierten Startergenerators 1 gegenüber der Verbrennungskraftmaschine 2 möglich, ein bestimmtes Drehmoment M deutlich präziser und schneller einzustellen.
  • Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Umschaltungen zwischen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine 2 wirkungsgradoptimal und drehmomentneutral und dadurch komfortabel durchzuführen, da die Verbrennungskraftmaschine 2 nicht in schwer modellierbaren Bereichen betrieben wird. Einsatzbereich einer Aufnahme von Drehmoment M mittels des integrierten Startergenerators 1 sind dabei zumindest alle Drehmomenteingriffe, welche üblicherweise über die oben genannten Zündwinkelrückzüge realisiert werden. Hierunter fallen beispielsweise Ventilhubumschaltungen, Umschaltungen zwischen luftgeführten Homogen- und kraftstoffgeführten Magerbetriebsarten, Umschaltungen zwischen befeuertem- und unbefeuertem Schub und weitere Umschaltungen zwischen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine 2.
  • Darüber hinaus ist es mittels des integrierten Startergenerators 1 möglich, Drehmomente M zu erzeugen und auf die Kurbelwelle 2.7 zu übertragen. Somit ist je nach Auslegung des integrierten Startergenerators 1, eines mit diesem gekoppelten elektrischen Energiespeichers und einem Bordnetz sowie in Abhängigkeit einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 und des Betriebszustandes von integriertem Startergenerator 1 und elektrischem Energiespeicher möglich, dass der integrierte Startergenerator 1 Drehmoment M in positiver sowie negativer Richtung stellt.
  • Hierbei wird der oben genannte Momentenpfad verwendet, wobei der schnelle Momentenpfad freigegeben wird und das Wunschdrehmoment Mw als Eingangsgröße verwendet wird.
  • Der integrierte Startergenerator 1 ISG wird weitestgehend unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine 2 betrieben und von einer Steuereinheit 5 gesteuert. Somit ist eine Kommunikation zwischen der Motorsteuerung 4 und der Steuereinheit 5 erforderlich, welche über eine Kommunikationsverbindung 6, beispielsweise einen CAN-Bus, erfolgt.
  • Zur Realisierung der Kurbelwinkelsynchronität, erfolgt die Berechnung des Sollmoments für den integrierten Startergenerator 1 wie oben beschrieben segmentbezogen.
  • Um eine Signallaufzeit zwischen der Motorsteuerung 4, der Steuereinheit 5 und dem integrierten Startergenerator 1 zu berücksichtigen, wird das Sollmoment in Abhängigkeit dieser Größen prädiziert. Dadurch entsteht ein Zeitfenster innerhalb eines Prädiktionshorizonts zur Übertragung und Einstellung des geforderten Drehmoments M. Zur richtigen zeitlichen Zuordnung des geforderten Drehmoments wird auch eine entsprechende Zylindernummer benötigt zu der das Moment gestellt werden soll, welche auch bereitgestellt wird.
  • Zur Ermittlung des prädizierten Sollmoments wird zunächst eine prädizierte Füllung der Brennräume 2.1 bis 2.6 bestimmt, woraus ein prädiziertes optimales Drehmoment bei optimalem Zündwinkel resultiert. Das vom integrierten Startergenerator 1 zu erzeugende Sollmoment ergibt sich aus einer Differenz zwischen dem Wunschdrehmoment Mw und dem prädizierten optimalen Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 2. Das vom integrierten Startergenerator 1 erzeugbare oder aufnehmbare Drehmoment M ist von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2, einem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers und einem momentanen Betriebszustand des integrierten Startergenerators 1 abhängig. Daher steht ein nach oben und unten begrenzter Drehmomentstellbereich zur Verfügung. Wenn eine Drehmomentforderung aufgrund einer Umschaltung zwischen den Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine 2 größer ist als das vom integrierten Startergenerator 1 maximal mögliche Drehmoment M, wird das verbleibende zu kompensierende Drehmoment anhand der beschriebenen Zündwinkeleingriffe ausgeglichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Integrierter Startergenerator
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    2.1 bis 2.6
    Brennraum
    2.7
    Kurbelwelle
    3
    Fahrpedal
    4
    Motorsteuerung
    5
    Steuereinheit
    6
    Kommunikationsverbindung
    M
    Drehmoment
    Mw
    Wunschdrehmoment
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19741965 C1 [0002]
    • WO 2008/080380 A1 [0003]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mit einer Kurbelwelle (2.7) der Verbrennungskraftmaschine (2) starr gekoppelten integrierten Startergenerators (1) bei Parameteränderungen der Verbrennungskraftmaschine (2) derart ein Drehmoment (M) an die Kurbelwelle (2.7) übertragen oder ein Drehmoment (M) von der Kurbelwelle (2.7) aufgenommen wird, dass eine Änderungsrate eines von der Kurbelwelle (2.7) abgegebenen Drehmoments innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels des integrierten Startergenerators (1) zu übertragenes oder aufzunehmendes Sollmoment in Abhängigkeit eines Arbeitsspiels und/oder Arbeitstaktes der Verbrennungskraftmaschine (2) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels des integrierten Startergenerators (1) zu übertragenes oder aufzunehmendes Sollmoment brennraumabhängig ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels des integrierten Startergenerators (1) zu übertragenes oder aufzunehmendes Sollmoment in Abhängigkeit einer Stellung der Kurbelwelle (2.7) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollmoment prädiziert wird, wobei bei der Prädiktion eine Signallaufzeit zwischen einer Motorsteuerung (4), einer Steuereinheit (5) zur Steuerung des integrierten Startergenerators (1) und dem integrierten Startergenerator (1) berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das prädizierte Sollmoment aus einer Differenz zwischen einem vorgegebenen Wunschdrehmoment (Mw) und einem prädizierten Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine (2) gebildet wird.
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