DE102018117359A1 - Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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DE102018117359A1
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fresh air
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intake
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Piergiacomo Traversa
Daniel Wolf
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfassend
- einen Ritzelstarter zum Hochfahren des Verbrennungsmotors;
- einen Zylinder und einen im Zylinder laufenden Kolben, die gemeinsam einen Arbeitsraum begrenzen, wobei der Arbeitsraum über Einlassventile (2) mit einem Ansaugtrakt mit Frischluft versorgt wird und über Auslassventile mit einem Abgaskrümmer in Verbindung steht;
- ein System (1) zum variablen Betätigen der Einlassventile (2), wobei das System (1) zur variablen Betätigung der Einlassventile (2) des Verbrennungsmotors derart angesteuert wird, dass die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile 2 verändert werden. Beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors findet folgende Strategie Anwendung:
die Einlassventile (2) einzelner oder aller Arbeitsräume werden derart angesteuert, dass der Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer reduziert oder vermieden wird und dass das Schleppmoment des Verbrennungsmotors reduziert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfassend einen Ritzelstarter zum Hochfahren des Verbrennungsmotors, einen Zylinder und einen im Zylinder laufenden Kolben, die gemeinsam einen Arbeitsraum begrenzen, wobei der Arbeitsraum über Einlassventile mit einem Ansaugtrakt mit Frischluft versorgt wird und über Auslassventile mit einem Abgaskrümmer in Verbindung steht und ein System zum variablen Betätigen der Einlassventile, wobei das System zur variablen Betätigung der Einlassventile des Verbrennungsmotors derart angesteuert wird, dass die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile verändert werden.
  • Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der EP 2 578 462 A1 offenbart. Beschrieben ist ein Verfahren zum Reduzieren von Pumpverlusten eines Verbrennungsmotors, der in einem Hybrid-Antriebsstrang mit Riemen-Starter-Generator zum Einsatz kommt. Pumpverluste werden reduziert, während der Verbrennungsmotor sich im heruntergefahrenen Zustand - also geschleppten Zustand - befindet.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, das den Betrieb des Verbrennungsmotors während einer Stopp-Start-Phase optimiert.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei Verbrennungsmotor folgende umfasst: einen Ritzelstarter zum Hochfahren des Verbrennungsmotor, einen Zylinder und einen im Zylinder laufenden Kolben, die gemeinsam einen Arbeitsraum begrenzen, wobei der Arbeitsraum über Einlassventile mit einem Ansaugtrakt mit Frischluft versorgt wird und über Auslassventile mit einem Abgaskrümmer in Verbindung steht und in System zum variablen Betätigen der Einlassventile, wobei das System zur variablen Betätigung der Einlassventile des Verbrennungsmotors derart angesteuert wird, dass die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile verändert werden.
  • Beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors findet folgende Strategie Anwendung: Die Einlassventile einzelner oder aller Arbeitsräume werden derart angesteuert, dass der Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer reduziert oder vermieden wird und dass das Schleppmoment des Verbrennungsmotors reduziert wird. Auf vorteilhafte Weise kann eine Überversorgung des Katalysators mit Frischluft vermieden werden. Eine übermäßige Frischluftzufuhr führt dazu, dass - zum Einstellen des erforderlichen Luftverhältnisses durch einen Gemischregler - Kraftstoff eingespritzt wird, um das optimale Luftverhältnis zu erreichen. Die Vermeidung oder Verminderung des Frischlufttransfers kann dazu führen, dass der Kraftstoffverbrauch während des Stopp-Start-Vorgangs reduziert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Schleppmomente reduziert werden. Das Schleppmoment des Verbrennungsmotors wird verstanden als Widerstand, der durch die reibungsbehafteten bewegten Teile des Verbrennungsmotors hervorgerufen wird. Dadurch kann insbesondere der Komfort des Stopp-Start-Vorgangs verbessert werden.
  • Eine mit Blick auf die Zeit für das Hochfahren vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens kann erreicht werden, indem beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors folgende Strategie Anwendung findet: die Einlassventile einzelner oder aller Arbeitsräume werden derart angesteuert, dass die Position des Kolbens bei heruntergefahrenem Verbrennungsmotor kontrolliert werden kann. Die Endposition einzelner Kolben kann derart kontrolliert werden, dass eine für das Starten des Verbrennungsmotors vorteilhafte Position angesteuert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung betrifft eine Verfahren, wobei die Position des Kolbens beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors derart kontrolliert wird, dass der Kolben sich im heruntergefahrenen Zustand des Verbrennungsmotors im unteren Totpunkt befindet zwischen den Takten Ladung und Kompression, wobei der Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt ist. Auf vorteilhafte Weise kann somit die Zeit für das anschließende Hochfahren des Verbrennungsmotors verkürzt werden.
  • Eine weitere in dieser Hinsicht vorteilhafte Weiterbildung betrifft ein Verfahren, wobei die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile eines ersten Arbeitsraumes während des Herunterfahrens des Verbrennungsmotors derart kontrolliert wird, dass ein Kolben, der einem zweiten Arbeitsraum zugeordnet ist, sich im anschließend einstellenden heruntergefahrenen Zustand des Verbrennungsmotors im unteren Totpunkt befindet zwischen den Takten Ladung und Kompression, wobei der zweite Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt ist.
  • Eine weitere in dieser Hinsicht vorteilhafte Weiterbildung betrifft ein Verfahren, wobei die Frischluft in dem zweiten Arbeitsraum beim Hochfahren des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Beginn des Hochfahrens komprimiert, in ein Kraftstoff-Frischluft-Gemisch überführt und gezündet wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung betrifft ein Verfahren, wobei beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors folgende Strategie Anwendung findet: In einem ersten Schritt wird ein Kriterium erkannt, das zum Abbruch des Herunterfahrens führt. In einem zweiten Schritt werde die Einlassventile der Arbeitsräume, die sich im Takt Auslass befinden, im darauffolgenden Takt Ladung derart angesteuert, dass der Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt wird, wobei anschließend Kraftstoff eingespritzt und das Kraftstoff-Frischluft-Gemisch im Takt Kompression gezündet wird.
  • Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung kann somit ein schnelles Wiederhochfahren des Verbrennungsmotors gewährleistet werden. Der spätmögliche Punkt zum Abbruch des Herunterfahrens ist u.a. abhängig von der Resonanz des Gesamtsystems.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines elektrohydraulischen Ventiltriebs zur variablen Betätigung der Einlassventile eines Verbrennungsmotors;
    • 2 zeigt einen ersten charakteristischen Öffnungsverlauf eines Einlassventils;
    • 3 zeigt einen zweiten charakteristischen Öffnungsverlauf eines Einlassventils;
    • 4a zeigt ein erstes Verfahren zum Herunterfahren und Hochfahren eines Verbrennungsmotors;
    • 4b zeigt ein zweites Verfahren zum Herunterfahren und Hochfahren eines Verbrennungsmotors in Situationen, in denen das Herunterfahren abgebrochen wird.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus 1 eines elektrohydraulischen Ventiltriebs zur variablen Betätigung der Einlassventile eines Verbrennungsmotors. Einlassventile 2 können derart angesteuert werden, dass die Öffnungszeit, die Schließzeit und der Hub veränderbar ist. Eine Nockenwelle 3 treibt einen Geberkolben 4 an, der über eine Hydraulikmittelleitung 5 eines Hochdruckraumes 6 mit einem Nehmerkolben 7 in Verbindung steht. Über den Geberkolben 4, die hydraulische Abstützung im Hochdruckraum 6 und den Nehmerkolben 7 kann die durch einen Nocken 8 der Nockenwelle 3 hervorgerufene Bewegung auf ein Einlassventil 2 übertragen werden.
  • Ein elektromagnetisches, als 2-2-Wege-Ventil gestaltetes Schaltventil 9 stellt eine steuerbare hydraulische Verbindung zwischen dem Hochdruckraum 6 und einem Mitteldruckraum 10 her. Bei geöffnetem Schaltventil 9 kann Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum 6 in den Mitteldruckraum 10 strömen. Der Mitteldruckraum 10 ist über eine durch ein Rückschlagventil 16 gesicherte Hydraulikmittelleitung an den allgemeinen Hydraulikmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen. Der Mitteldruckraum 10 steht mit einem Kolbendruckspeicher 13 in Verbindung.
  • Die Variabilität der Öffnungszeit, der Schließzeit und des Hubs des Gaswechselventils 2 wird demnach durch eine mechanische Entkopplung zwischen dem Nocken 8 der Nockenwelle 3 und dem Gaswechselventil 2 erreicht. An die Stelle der mechanischen Kopplung tritt der mit Hydraulikmittel gefüllte Hochdruckraum 6 zwischen Geberkolben 4 und Nehmerkolben 7 - der Hochdruckraum 6 wirkt somit als sogenanntes hydraulisches Gestänge. Die durch die Nockenkontur hervorgerufene und mittels Geberkolben 4 umgesetzte Verdrängung von Hydraulikmittel wirkt - bei geschlossenem Schaltventil 9 und vernachlässigter Leckage - proportional auf die durch Bewegung des Nehmerkolbens 7 hervorgerufene Bewegung des Gaswechselventils 2. Die Bewegung des Gaswechselventils 2 kann gesteuert werden, indem durch gezieltes Öffnen des Schaltventils 9 ein Teilvolumen des Hydraulikmittels vom Hochdruckraum 6 in den Mitteldruckraum 10 überführt wird. Die Bewegung des Gaswechselventils 2 verläuft in der Folge nicht mehr proportional zum Konturverlauf des Nockens 8, sondern kann eine beliebige Form annehmen.
  • Ein erster charakteristischer Öffnungsverlauf eines Einlassventils ist in 2 dargestellt. Auf der Abszissenachse ist der Umdrehungswinkel der Kurbelwelle darstellt, wobei zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle erfasst sind. Der Kolben bewegt sich in der Folge zwischen unterem Totpunkt und oberen Totpunkt, wobei der Verbrennungsmotor die Takte Kompression (Zünden), Expansion, Auslass, Ladung durchläuft. Auf der Ordinatenachse sind der Ventilhub abgetragen und der Gasmassenstrom.
  • Die Linie 14 veranschaulicht den Hubverlauf des Einlassventils 2. Das Einlassventil 2 öffnet bereits während des Taktes Auslass, ca. 50° Kurbelwellenwinkel nach dem unteren Totpunkt TDC. Der Ventilhub beträgt bis ca. 30° Kurbelwellenwinkel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes ca. 1, 5mm und ist somit relativ gering im Vergleich mit dem Maximalhub. Anschließend wird der Ventilhub auf beispielswiese 4mm erhöht. Das Einlassventil schließt während des Taktes Einlass bei ungefähr 460° Kurbelwellenwinkel, bevor der untere Totpunkt BDC erreicht ist.
  • Die Linie 15 veranschaulicht den Hubverlauf des Auslassventils. Da Auslassventil öffnet bereits während des Taktes Expansion bei 140° Kurbelwellenwinkel, also kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes BDC. Das Auslassventil schließt mit Abschluss des Taktes Auslass im Bereich des oberen Totpunktes TDC. Gemeinsam mit der Hubcharakteristik des Einlassventils wird ein Volumenstrom zwischen dem Abgaskrümmer, dem Arbeitsraum des Zylinders und dem Ansaugtrakt hervorgerufen. Der Volumenstrom zwischen dem Abgaskrümmer und dem Arbeitsraum des Zylinders wird durch die Linie 16 veranschaulicht, der Volumenstrom zwischen dem Arbeitsraum des Zylinders und dem Ansaugtrakt durch die Linie 17. Die Linie 18 veranschaulicht den Volumenstrom zwischen dem Ansaugtrakt und dem Arbeitsraum. Aus diesem Verlauf geht hervor, dass Abgas aus dem Abgaskrümmer in den Ansaugtrakt überführt wird, wodurch eine Abgas-Rezirkulation verwirklicht und ein Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer vermieden oder zumindest vermindert wird. Darüber hinaus werden Pumpverluste vermindert, wodurch die durch den Verbrennungsmotor hervorgerufenen Schleppmomente reduziert werden.
  • Ein zweiter charakteristischer Öffnungsverlauf eines Einlassventils 2 ist in 3 dargestellt. Der Hubverlauf des Ein- und Auslassventils entspricht weitestgehend dem in 2 gezeigten Verläufen. Das Einlassventil schließt allerdings erst bei -60° Kurbelwellenwinkel kurz vor dem oberen Totpunkt TDC während des Taktes Kompression. Auch der Maximalhub des Einlassventils unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Hub und liegt bei ca. 9mm. Der erste charakteristische Öffnungsverlauf ist vorteilhaft gegenüber dem zweiten charakteristischen Öffnungsverlauf mit Blick auf die Verminderung des Transfers von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer, der zweite charakteristische Verlauf ist vorteilhaft gegenüber dem ersten charakteristischen Verlauf mit Blick auf die Reduzierung von Schleppmomenten.
  • Der Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer wird demnach reduziert oder vermieden und das durch den Widerstand der Kolbenbewegung hervorgerufene Schleppmoment wird reduziert, indem die Einlassventile einzelner oder aller Arbeitsräume zu einem Zeitpunkt geöffnet werden, wo sich der dem Arbeitsraum zugeordnete Kolben im Takt Auslass befindet und indem die Einlassventile einzelner oder aller Arbeitsräum zu einem Zeitpunkt geschlossen werden, wo sich der Kolben im Takt Einlass befindet, wobei der Takt Einlass nicht abgeschlossen ist oder indem die Einlassventile einzelner oder aller Arbeitsräume zu einem Zeitpunkt geschlossen werden, wo sich der Kolben im Takt Kompression befindet, wobei der Takt Kompression nicht abgeschlossen ist.
  • Die 4a veranschaulicht ein Verfahren zum Herunterfahren und Hochfahren eines Verbrennungsmotors, wobei folgende Strategie Anwendung findet: Nach dem Veranlassen des Herunterfahrens, beispielsweise im Stopp-Start-Betrieb, werden die Einlassventile 2 derart angesteuert, dass sich entweder der erste charakteristische oder der zweite charakteristische Verlauf einstellt. In der Folge wird der Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer reduziert oder vermieden und das durch den Widerstand der Kolbenbewegung hervorgerufene Schleppmoment wird reduziert. Während des Herunterfahrens werden die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile eines ersten Arbeitsraumes derart kontrolliert, dass ein Kolben, der einem zweiten Arbeitsraum zugeordnet ist, sich im anschließend einstellenden heruntergefahrenen Zustand des Verbrennungsmotors im unteren Totpunkt befindet zwischen den Takten Ladung und Kompression, wobei der zweite Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt ist (siehe 19). Das dem ersten Arbeitsraum zugeordnete Einlassventil kann beispielsweise während des Taktes Ladung derart angesteuert werden, dass es nicht öffnet- somit kann die Position des dem zweiten Arbeitsraum zugeordneten Kolbens kontrolliert werden (siehe 20) Bei einem anschließenden Hochfahren des Verbrennungsmotors kann die Frischluft in dem zweiten Arbeitsraum unmittelbar nach dem Beginn des Hochfahrens komprimiert, in ein Kraftstoff-Frischluft-Gemisch überführt und gezündet werden kann (siehe 21). Die für einen Motorstart benötigte Zeit kann auf diese Weise verkürzt werden.
  • Zu den weiteren markanten Punkten der Strategie
    Punkt 22: Kalkulation der verbleibenden kinetischen Energie des Motors und Berechnung der Ansteuerung zum gezielten stoppen des Motors in einer kontrollierten Position;
    Punkt 23: Ansteuerung des Einlassventils nach dem ersten charakteristischen Öffnungsverlauf (2) oder nach dem zweiten charakteristischen Öffnungsverlauf (3);
    Punkt 20: Keine Öffnung des Einlassventils, um Position nach Motorstopp kontrollieren zu können;
    Punkt 21: Einspritzung in Phase Kompression und Aktivierung des Ritzelstarters;
    Punkt 24: Art der Ansteuerung des Einlassventils wird während Motorstopp festgelegt.
  • In bestimmten Fahrsituationen kann es vorkommen, dass der Verbrennungsmotor herunterfährt, während des Herunterfahrens aber ein Ereignis auftritt, das zum Abbruch des Herunterfahrens führen soll, siehe 4b. Bei diesem sogenannten „Change of Mind“-Situationen soll der Verbrennungsmotor möglichst nach kurzer Zeit wieder die Zieldrehzahl, also die Leerlaufdrehzahl erreichen. Zu diesem Zweck wird ein Kriterium definiert, dessen Eintreten zum Abbruch des Herunterfahrens führt. Ein mögliches Kriterium ist beispielsweise das Betätigen der Kupplung durch den Fahrer. Nach Eintritt und Erkenne des Kriteriums werden die Einlassventile der Arbeitsräume, die sich im Takt Auslass befinden, im darauffolgenden Takt Ladung derart angesteuert, dass der Arbeitsraum mit Kraftstoff-Frischluft-Gemisch gefüllt wird, wobei das Kraftstoff-Frischluft-Gemisch anschließend im Takt Kompression gezündet wird.
  • Zu den weiteren markanten Punkten der Strategie
    Punkt 25: Die Ladung enthält einen zu großen Anteil an Abgas und ist somit nicht zündfähig;
    Punkt 26: Art der Ansteuerung des Einlassventils wird infolge des Abbruchsignals festgelegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrohydraulischer Ventiltriebs zur variablen Betätigung der Einlassventile
    2
    Einlassventil
    3
    Nockenwelle
    4
    Geberkolben
    5
    Hydraulikmittelleitung
    6
    Hochdruckraum
    7
    Nehmerkolben
    8
    Nocken
    9
    Schaltventil
    10
    Mitteldruckraum
    11
    Rückschlagventil
    12
    Hydraulikmittelkreislauf
    13
    Kolbendruckspeicher
    14
    Linie
    15
    Linie
    16
    Linie
    17
    Linie
    18
    Linie
    19
    zweiter Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt
    20
    Kontrolle der Endposition bei Motorstopp
    21
    Starten des Motors
    22
    Kalkulation der kinetischen Energie
    23
    Ansteuerung des Einlassventils
    24
    Festlegung der Ansteuerung nach Motorstart
    25
    Ladung mit übermäßig großem Anteil Abgas
    26
    Festlegung der Ansteuerung nach Motorstart
    BDC
    unterer Totpunkt
    TDC
    oberer Totpunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2578462 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfassend - einen Ritzelstarter zum Hochfahren des Verbrennungsmotors; - einen Zylinder und einen im Zylinder laufenden Kolben, die gemeinsam einen Arbeitsraum begrenzen, wobei der Arbeitsraum über Einlassventile (2) mit einem Ansaugtrakt mit Frischluft versorgt wird und über Auslassventile mit einem Abgaskrümmer in Verbindung steht; - ein System (1) zum variablen Betätigen der Einlassventile (2), wobei das System (1) zur variablen Betätigung der Einlassventile (2) des Verbrennungsmotors derart angesteuert wird, dass die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile 2 verändert werden; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors folgende Strategie Anwendung findet: die Einlassventile (2) einzelner oder aller Arbeitsräume werden derart angesteuert, dass der Transfer von Frischluft vom Ansaugtrakt zum Abgaskrümmer reduziert oder vermieden wird und dass das Schleppmoment des Verbrennungsmotors reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors folgende Strategie Anwendung findet: die Einlassventile (2) einzelner oder aller Arbeitsräume werden derart angesteuert, dass die Position des Kolbens bei heruntergefahrenem Verbrennungsmotor kontrolliert werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Kolbens beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors derart kontrolliert wird, dass der Kolben sich im heruntergefahrenen Zustand des Verbrennungsmotors im unteren Totpunkt (BDC) befindet zwischen den Takten Ladung und Kompression, wobei der Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit und/oder der Hub der Einlassventile (2) eines ersten Arbeitsraumes während des Herunterfahrens des Verbrennungsmotors derart kontrolliert wird, dass ein Kolben, der einem zweiten Arbeitsraum zugeordnet ist, sich im anschließend einstellenden heruntergefahrenen Zustand des Verbrennungsmotors im unteren Totpunkt (BDC) befindet zwischen den Takten Ladung und Kompression, wobei der zweite Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft in dem zweiten Arbeitsraum bei dem Hochfahren des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Beginn des Hochfahrens komprimiert, in ein Kraftstoff-Frischluft-Gemisch überführt und gezündet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herunterfahren des Verbrennungsmotors folgende Strategie Anwendung findet: - Erkennen eines Kriteriums, das zum Abbruch des Herunterfahrens führt; - die Einlassventile (2) der Arbeitsräume, die sich im Takt Auslass befinden, werden im darauffolgenden Takt Ladung derart angesteuert, dass der Arbeitsraum mit Frischluft gefüllt wird, wobei anschließend Kraftstoff eingespritzt und das Kraftstoff-Frischluft-Gemisch im Takt Kompression gezündet wird.
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