DE102018104081B4

DE102018104081B4 - Verfahren und system zur steuerung eines fahrzeugantriebssystems

Info

Publication number: DE102018104081B4
Application number: DE102018104081.4A
Authority: DE
Inventors: Dalton A Blenc; Aaron Bowles
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: CN108533388B; US20180252172A1; CN108533388A; DE102018104081A1; US10215114B2

Abstract

Fahrzeugantriebssystem (100), umfassend:einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, einem Einlassventil (120), einem Auslassventil (128) und einem Zylinderkopf (126), der eine Brennkammer (116) definiert;einen Ansaugkrümmer (112), der über das Einlassventil (120) mit der Brennkammer (116) in Verbindung steht;einen Abgaskrümmer (130), der über das Auslassventil (128) mit der Brennkammer (116) in Verbindung steht;einen Turbolader (102) mit einem Kompressor (104) in Verbindung mit dem Ansaugkrümmer (112), eine Turbine (108) in Verbindung mit dem Abgaskrümmer (130) und einen Elektromotor (134) zum selektiven Antreiben der Turbine (108); undeine Steuerung (136), die mit dem Elektromotor (134) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, selektiv einen Elektromotor (134) zu betreiben, der die Turbine (108) zum Reduzieren eines Drucks in dem Abgaskrümmer (130) antreibt und dadurch einen Druck in der Brennkammer (116) während eines Motorstartvorgangs reduziert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren und System zur Steuerung eines Fahrzeugantriebssystems.
EINLEITUNG
Diese Einleitung stellt im Allgemeinen den Kontext der Offenbarung dar. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik zugelassen.
Derzeit beinhalten viele Fahrzeuge auf der Straße ein Start-Stopp-System, das den Motor automatisch abschaltet und neu startet. Dies reduziert die Leerlaufzeit des Motors, was den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert. Das Starten des Motors erfordert einen Übergang von einem vollständig stationären Zustand in einen Zustand, in dem sich die Kurbelwelle dreht, die Kolben sich in ihren jeweiligen Zylindern hin- und herbewegen und viele andere Komponenten sich ebenfalls bewegen, bevor Kraftstoff und Zündfunken eingeleitet werden können. Der Übergang von dem gestoppten Zustand zu einem Betriebszustand erfordert einen gewissen Energieaufwand. Es ist wünschenswert, den Energieaufwand zu minimieren, der durch dieses Motorstartverfahren verbraucht wird.
Ferner kann dieser Übergang auch dazu führen, dass unerwünschte Vibrationen erzeugt, in das Chassis des Fahrzeugs übertragen und von den Insassen des Fahrzeugs wahrgenommen werden. Es ist vorzuziehen, diese Vibrationen zu minimieren. Während sich Insassen von Automobilen im Allgemeinen daran gewöhnt haben, eine Vibration zu spüren, wenn der Motor zum ersten Mal startet, wodurch die Insassen das Vertrauen und die Gewissheit haben, dass der Motor gestartet wurde und fahrbereit ist, kann während einer Fahrt das wiederholte Starten aufgrund eines automatischen Autostopp/Start-System dazu führen, dass unerwünschte Vibrationen von den Insassen wahrgenommen werden. Es ist wünschenswert, diese Vibrationen zu reduzieren und zu minimieren.
Die US 2017 / 0 022 954 A1 beschreibt Verfahren und Systeme zum zuverlässigen Starten eines Motors beim Kaltstart. In einem Beispiel kann ein Verfahren als Reaktion auf eine Motorstartanforderung das Aufwärmen eines Ansaugkrümmers durch Komprimieren der Ansaugluft über einen elektrischen Lader und das Einstellen eines Ansaugkrümmerdrucks vor dem Starten einer ersten Verbrennung des Motors umfassen.
Die US 2012 / 0 191 322 A1 beschreibt ein Verfahren zum Starten und Abschalten eines Verbrennungsmotors mit einem elektronisch gesteuerten Turbolader (ECT). Die Start- und Abschaltverfahren werden festgelegt, um die gewünschte Schmierung der Motor- und ECT-Komponenten und eine ausreichende Kühlung des Motors und des ECT bereitzustellen.
Die US 2011 / 0 232 607 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffeinspritzventil, das einen Kraftstoff in eine Einlassöffnung einspritzt, und einem Auslassventil, das für jeden Zylinder in einem geschlossenen Zustand gestoppt werden kann. Wenn sich der Zylinder vor der ersten Explosion in einem Auslasshub befindet, wird das Auslassventil des Zylinders in einem geschlossenen Zustand gestoppt. Anschließend wird das Kraftstoffeinspritzventil des Zylinders, in dem das Auslassventil im geschlossenen Zustand im Auslasshub gestoppt ist, veranlasst, den Kraftstoff für die anfängliche Explosion einzuspritzen, so dass eine Einspritzzeit vor dem Öffnen des Einlassventils liegt oder mit dem Öffnungszeitpunkt zusammenfällt.
KURZDARSTELLUNG
In einem exemplarischen Aspekt beinhaltet ein Fahrzeugantriebssystem einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, ein Einlassventil, ein Auslassventil und einen Zylinderkopf, der eine Brennkammer definiert; ein Ansaugkrümmer, der durch das Einlassventil mit der Brennkammer in Verbindung steht; einen Abgaskrümmer, der über das Auslassventil mit der Brennkammer in Verbindung steht; ein Turbolader mit einem Kompressor in Verbindung mit dem Ansaugkrümmer, einer Turbine in Verbindung mit dem Abgaskrümmer und einem Elektromotor zum selektiven Antreiben der Turbine; und eine Steuerung, die mit dem Elektromotor in Verbindung steht und konfiguriert ist, um selektiv einen Elektromotor zu betreiben, um die Turbine anzutreiben, um einen Druck in der Brennkammer während eines Motorstartverfahrens zu reduzieren.
In einem anderen exemplarischen Aspekt ist die Steuerung ferner konfiguriert, um das Einlassventil zu schließen.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, um das Auslassventil zu öffnen.
In einem anderen exemplarischen Aspekt ist die Steuerung konfiguriert, um den Elektromotor für eine vorbestimmte Zeitperiode zu betreiben.
In einem anderen exemplarischen Aspekt ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie den Elektromotor für eine vorbestimmte Zeitperiode betreibt, bevor eine Kraft ausgeübt wird, um die Bewegung eines Kolbens in dem Motor auszulösen.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner ein Riemengenerator/Anlassersystem, das die Kraft aufbringt, die die Bewegung eines Kolbens in dem Motor auslöst.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie den Elektromotor für eine vorbestimmte Zeitperiode betreibt, bevor der Brennkammer Kraftstoff zugeführt wird.
In einem anderen exemplarischen Aspekt ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie den Elektromotor für eine vorbestimmte Zeitperiode betreibt, bevor ein Zündfunken in die Brennkammer eingebracht wird.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner eine zweistufige Nocke, die entweder das Einlassventil oder das Auslassventil steuert.
Auf diese Weise kann die Energie, die benötigt wird, um den Motor zu starten, verringert werden, die Vibrationsbelastung, die durch den Motor während eines Startverfahrens erzeugt wird, reduziert werden, was die Erfahrung des Fahrers verbessert, und die zum Starten des Motors benötigte Zeit kann reduziert werden.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und sollen den Umfang der Offenbarung nicht beschränken.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Patentansprüche und der exemplarischen Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den zugehörigen Zeichnungen genommen werden.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin gilt:

1 ist eine schematische Darstellung eines Teils von Komponenten eines Fahrzeugantriebssystems 100;
2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Motors 118 des Systems 100;
3 ist ein Diagramm 300, das den Betrieb des Motors 118 während eines Startverfahrens und vor der Einleitung von Kraftstoff und Zündfunken veranschaulicht;
4 ist ein Flussdiagramm 400, das ein exemplarisches Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
5 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Steuerung 500 gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines Teils von Komponenten eines Fahrzeugantriebssystems 100. Das System beinhaltet einen Turbolader 102, der einen Kompressor 104 auf einer Einlassseite 106, eine Turbine 108 auf einer Auslassseite 110 und einen Elektromotor/Generator 134 zum selektiven Antreiben des Turboladers 102 beinhaltet. Im Betrieb erhöht der Kompressor 104 den Druck der Luft, die über einen Ansaugkrümmer 112 in den Motor zugeführt wird. Optional kann der Einlass 112 einen Ladeluftkühler 114 beinhalten, der die Temperatur des Luftstroms durch den Ansaugkrümmer 112 reduziert. Der Strom von Einlassluft von dem Ansaugkrümmer 112 in eine Brennkammer 116 des Motors 118 wird selektiv durch ein Einlassventil 120 und ein Drosselventil (nicht gezeigt) in dem Ansaugkrümmer gesteuert.
Bezugnehmend nun auf 2, hat die Brennkammer 116 ein Volumen, das durch Zylinderwände 122, einen Kolben 124, einen Zylinderkopf 126, ein Einlassventil 120 und ein Auslassventil 128 definiert ist. Während des Betriebs bewegt sich der Kolben 124 innerhalb des Zylinders hin und her und ändert das Volumen der Brennkammer 116. Der Druck in der Brennkammer 116 variiert gemäß der Position des Kolbens 124 und der Konfiguration des Einlassventils 120 und des Auslassventils 128. In einem Motor, der als ein Viertaktmotor arbeitet, wird der Kolben 124 den Inhalt der Brennkammer 116 komprimieren, wenn sowohl das Einlassventil 120 als auch das Auslassventil 128 während eines Abschnitts des Viertaktzyklus geschlossen sind. Diese Kompression erfordert eine erhebliche Energiemenge, um den Kolben 124 nach oben gegen den Inhalt der Brennkammer 116 zu drücken.
Mit Rückbezug nun auf 1, öffnet sich in einem anderen Abschnitt des Viertaktzyklus das Auslassventil 128, während der Kolben 116 vertikal ansteigt und das Einlassventil 120 geschlossen ist. Dies bewirkt, dass der Inhalt der Brennkammer 116 in einen Abgaskrümmer 130 strömt. Die Abgase strömen durch den Abgaskrümmer 130 in die Abgasseite des Turboladers 102 in Kontakt mit der Turbine 108. Energie von den Abgasen, die auf die Turbine 108 auftreffen, wird in eine Drehung einer Turboladerwelle 132 umgewandelt, die wiederum den Kompressor 104 antreibt.
Der Elektromotor/Generator 134 steht mit einer Steuerung 136 in Verbindung, die eine Energiespeichervorrichtung, wie beispielsweise eine Batterie 138, beinhaltet. Die Steuerung 136 kann selektiv arbeiten, um Energie von der Batterie 138 bereitzustellen, um die Drehung der Turboladerwelle 132 anzutreiben oder um Energie von der Turboladerwelle 132 zu empfangen und diese Energie in der Batterie 138 zu speichern.
Ein typisches Startsystem für ein Fahrzeugantriebssystem beruht auf einem Elektromotor. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Anlassermotor sein, der eine Ausgangswelle aufweisen kann, die mit einem an einer Motorkurbelwelle angebrachten Schwungrad verzahnt ist. Ein anderes Beispiel kann ein Riemengenerator/Anlasser sein (auch bekannt als „BAS“), der über einen Riemen mit der Kurbelwelle verbunden ist. Andere Beispiele können einen Motor in einer Getriebeeinheit oder anderswo beinhalten. Im Allgemeinen kann jeder Elektromotor, der eine hohe Spannung haben kann oder nicht, der ein Drehmoment auf den Motor ausüben kann, anwendbar sein. Ein Riemengenerator/Anlasser kann selektiv gesteuert werden, um als ein Generator (Wechselstromgenerator) zu wirken, der Energie von der Kurbelwelle über den Riemen aufnimmt und Elektrizität erzeugt, die in einer Batterie gespeichert wird. Der Riemengenerator/Anlasser kann auch selektiv gesteuert werden, um Energie aus der Batterie zu empfangen und ein Drehmoment auf die Kurbelwelle über den Riemen anzulegen. Auf diese Weise kann Energie von der Batterie verwendet werden, um die Bewegung der Komponenten innerhalb des Motors in Vorbereitung auf die Einführung von Kraftstoff und Zündfunken zu starten. In Fahrzeugantriebssystemen, die automatische Autostart/Stopp-Systeme enthalten, kann das wiederholte Starten eine leistungsstärkere Batterie mit höherer Kapazität und eine höhere Lebensdauer und Kapazität des Riemengenerator/Anlassersystems im Vergleich zu Fahrzeugantriebssystemen erfordern, die kein automatisches Autostart/Stopp-System beinhalten.
3 ist ein Diagramm 300, das den Betrieb eines Motors 118 während eines Startverfahrens und vor dem Einbringen von Kraftstoff und Zündfunken veranschaulicht. Linie 302 veranschaulicht die Motordrehzahl (z. B. die Drehzahl der Kurbelwelle). Die Linien 304 veranschaulichen den Druck innerhalb jeder einer Vielzahl von Brennkammern 116 in dem Motor 118. In diesem speziellen Beispiel beinhaltet der Motor 118 vier Brennkammern 116. Wie es klar durch die Linien 304 dargestellt ist, pulsieren die Drücke innerhalb der Brennkammern und erreichen den höchsten Wert an einem früheren Abschnitt des Startverfahrens bei einer durch die Linie 306 angegebenen Amplitude. Diese Druckspitzen verringern sich allmählich, wenn das Startverfahren bei einem Wert oder darunter liegt, der näherungsweise durch die Linie 308 angezeigt wird. Somit gibt es eine große Differenz 310 zwischen der Spitzendruckimpulsamplitude 306 früh im Startverfahren und den Druckspitzenamplituden 308 später im Startverfahren.
Wie zuvor erwähnt, sind die Drücke in den Brennkammern 116, die durch die Drucksignalleitungen 304 dargestellt sind, direkt der Bewegung des Kolbens 116 entgegengesetzt, wenn sie sich bewegen, um das Volumen in den Brennkammern 116 zu komprimieren. Je höher also die Drücke innerhalb der Brennkammern sind, desto mehr Energie wird benötigt, um den Kolben 116 zu bewegen und wiederum die Motordrehzahl 302 auf einen Wert zu erhöhen, der ausreicht, um Kraftstoff und Zündfunken einzuleiten und den Betrieb des Motors einzuleiten. Während dieses Startverfahrens wird die Energiequelle zur Überwindung dieser Verbrennungsdrücke 304 von der Batterie über das Riemengenerator/Anlassersystem bereitgestellt. Die Menge dieser Energie würde reduziert werden, wenn die Brennkammerdrücke 304 reduziert würden.
Das Diagramm 300 von 3 veranschaulicht ferner ein Fahrersitz-Beschleunigungsmessersignal 312, das während des Motorstartverfahrens auftritt. Das Fahrersitz-Beschleunigungsmessersignal 312 dient als ein Indikator für die Vibration, die von einem Fahrer des Fahrzeugs gefühlt werden könnte. Es ist wünschenswert, diese Vibration so weit wie möglich zu reduzieren, um das Fahrerlebnis zu verbessern und vorzugsweise den Betrieb auf ein Niveau zu reduzieren, das für den Fahrer nicht wahrnehmbar wird. 3 zeigt deutlich, dass das Beschleunigungsmessersignal 312 in einem früheren Abschnitt 314 des Startverfahrens höhere Spitzenamplituden aufweist als diejenigen in einem späteren Abschnitt 316, der mit den Spitzenamplituden der Drucksignale 304 korreliert.
4 ist ein Flussdiagramm 400, das ein exemplarisches Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Verfahren beginnt bei Schritt 402 und fährt mit Schritt 404 fort. In Schritt 404 schließt das Verfahren das Drosselventil und fährt mit Schritt 406 fort. In Schritt 406 schließt das Verfahren das Einlassventil und fährt mit Schritt 408 fort. In Schritt 408 öffnet das Verfahren das Auslassventil und fährt mit Schritt 410 fort. In Schritt 410 betreibt das Verfahren den Turboladermotor 134, um die Turbine 108 anzutreiben. In dieser Konfiguration wird die Turbine 108 angetrieben, um den Druck innerhalb des Abgaskrümmers 130 zu reduzieren, was wiederum den Druck in der Brennkammer 116 reduziert. Die Turbine kann Schaufeln aufweisen, die geeignet sind, den Druck in dem Abgaskrümmer 130 zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Druck in der Verbrennungskammer 116, der der Bewegung des Kolbens 124 entgegenwirkt, verringert, was wiederum die Energiemenge verringert, die benötigt wird, um von dem Riemengenerator/Anlassersystem von der Batterie bereitgestellt zu werden. Ferner wird die Vibration des Motors reduziert, was zu einer Verringerung der Amplitude des Beschleunigungsmessersignals 312 des Fahrersitzes führt, sodass die Vibration kaum, wenn überhaupt, wahrnehmbar ist. Das Verfahren fährt dann mit Schritt 412 fort, wo das Verfahren eine vorbestimmte Zeitdauer wartet und mit Schritt 414 fortfährt, wo das Verfahren stoppt.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Verfahren für eine vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt werden, bevor das Startverfahren fortgesetzt wird. So kann beispielsweise der Elektromotor 134 des Turboladers 102 betrieben werden, um die Turbine 108 für einen Zeitraum anzutreiben, der ausreicht, um die Trägheit der Luft in dem Abgaskrümmer und der Brennkammer derart zu berücksichtigen, dass der Kammerdruck vor dem Betreiben eines anderen Motors reduziert wird, so wie jener in einem Riemengenerator/Anlassersystem, um eine Drehung in dem Motor einzuleiten und bevor Kraftstoff und Zündfunken eingebracht werden.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform können das Einlassventil 120 und das Auslassventil 128 unabhängig voneinander und/oder anderen Komponenten in dem Motor gesteuert werden. Das Einlassventil 120 und das Auslassventil können beispielsweise unter Verwendung eines zweistufigen Nockens betrieben werden, der die Fähigkeit zur unabhängigen Betätigung der Ventile bereitstellen kann.
5 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Steuerung 500 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Steuerung 500 steht mit dem Einlassventil 120 und dem Auslassventil 128 in Verbindung, um den Betrieb jedes von ihnen zu steuern. Ferner steht die Steuerung 500 mit der Turbolader-Elektromotorsteuerung 136 in Verbindung, über die der Betrieb des Elektromotors 134 des Turboladers 102 betrieben werden kann. Die Steuerung 500 ist so konfiguriert, dass sie das Verfahren von 4 ausführt.
Ein weiterer Vorteil neben der Reduzierung des Energiebedarfs und der Vibration ist die Möglichkeit, die Gesamtzeit zu reduzieren, die benötigt wird, um das Startverfahren vollständig abzuschließen. Die Reduzierung der Brennkammerdrücke kann die Zeitdauer reduzieren, die erforderlich ist, um den Motor vollständig auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die ausreicht, um Kraftstoff und Zündfunken einzuleiten.
Diese Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise beschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor.

Claims

Fahrzeugantriebssystem (100), umfassend: einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, einem Einlassventil (120), einem Auslassventil (128) und einem Zylinderkopf (126), der eine Brennkammer (116) definiert; einen Ansaugkrümmer (112), der über das Einlassventil (120) mit der Brennkammer (116) in Verbindung steht; einen Abgaskrümmer (130), der über das Auslassventil (128) mit der Brennkammer (116) in Verbindung steht; einen Turbolader (102) mit einem Kompressor (104) in Verbindung mit dem Ansaugkrümmer (112), eine Turbine (108) in Verbindung mit dem Abgaskrümmer (130) und einen Elektromotor (134) zum selektiven Antreiben der Turbine (108); und eine Steuerung (136), die mit dem Elektromotor (134) in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, selektiv einen Elektromotor (134) zu betreiben, der die Turbine (108) zum Reduzieren eines Drucks in dem Abgaskrümmer (130) antreibt und dadurch einen Druck in der Brennkammer (116) während eines Motorstartvorgangs reduziert.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) ferner dazu konfiguriert ist, das Einlassventil (120) zu schließen.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) ferner dazu konfiguriert ist, das Auslassventil (128) zu öffnen.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) dazu konfiguriert ist, den Elektromotor (134) für eine vorbestimmte Zeitspanne zu betreiben.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) dazu konfiguriert ist, den Elektromotor (134) für eine vorbestimmte Zeitspanne zu betreiben, bevor eine Kraft aufgebracht wird, um die Bewegung eines Kolbens (124) im Motor auszulösen.
System (100) nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Riemengenerator/ein Anlassersystem, der/das die Kraft zum Auslösen der Bewegung eines Kolbens (124) im Motor aufbringt.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) dazu konfiguriert ist, den Elektromotor (134) für eine vorbestimmte Zeitspanne zu betreiben, bevor ein Kraftstoff der Brennkammer (116) zugeführt wird.
System (100) nach Anspruch 1, worin die Steuerung (136) dazu konfiguriert ist, den Elektromotor (134) für eine vorbestimmte Zeitspanne zu betreiben, bevor ein Zündfunke in die Brennkammer (116) eingebracht wird.
System (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweistufigen Nocken, der entweder das Einlassventil (120) oder das Auslassventil (128) steuert.