DE102019108823A1

DE102019108823A1 - Abgasanlage mit kontinuierlicher Klappensteuerung

Info

Publication number: DE102019108823A1
Application number: DE102019108823.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Drees; Jessica Ulmer; Diane Spannbauer; Christoph Kohl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit Klappensteuerung und insbesondere ein Verfahren zur Ansteuerung einer stufenlosen, also kontinuierlichen Abgasklappe, welche in ihrem Öffnungswinkel beliebig ansteuerbar und veränderbar ist. Ferner wird eine entsprechende Abgasanlage bzw. ein Steuergerät vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage, insbesondere eine mehrflutige Abgasanlage, mit kontinuierlicher Klappensteuerung und insbesondere ein Verfahren zur Ansteuerung einer kontinuierlichen Abgasklappe, welche in ihrem Öffnungswinkel beliebig ansteuerbar und veränderbar ist. Ferner wird eine entsprechende Abgasanlage bzw. ein Steuergerät vorgeschlagen.
Die DE 10 2013 219 332 A1 betrifft die Ansteuerung von Abgasklappenaktoren, insbesondere zur lastabhängigen Steuerung der Geräuschentwicklung in einem Fahrzeug. Es wird eine Steuereinheit für eine mehrflutige Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben. Die DE 102 31 056 A1 betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Die DE 10 2005 054 991 A1 betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasschalldämpfer, einem in den Abgasschalldämpfer hineinführenden Eingangsabgasrohr, einem aus dem Abgasschalldämpfer herausführenden, eine Abgasklappe zur Einstellung eines Abgasvolumenstromes aufweisenden ersten Ausgangsabgasrohr und einem aus dem Abgasschalldämpfer herausführenden zweiten Ausgangsabgasrohr.
Die Abgasanlage in Verbrennungsmotor getriebenen Fahrzeugen fasst die aus den Zylindern strömenden Abgase zusammen, reinigt sie von Schadstoffen und beeinflusst maßgeblich die Abgasakustik. Hierbei reduziert sie die Abgasgeräusche und leitet die gereinigten Abgase vom Motor nach außen.
Abgasanlagen bei gängigen PKW-Modellen sind typischerweise stets aus den gleichen Komponenten (mit kleineren Abweichungen) aufgebaut. Aus dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors treten die heißen Abgase über den Krümmer in die Abgasanlage ein. Dort werden die Abgase der einzelnen Zylinder zusammengeführt und im Katalysator gereinigt. Anschließend wird das Verbrennungsgeräusch, welches durch den Schall im Abgas übertragen wird, durch mehrere Schalldämpfer gedämpft und tritt am Ende durch das/die Endrohr/e aus dem Fahrzeug aus. Die Erfindung ist vorzugsweise bei einer einflutigen Abgasanlage und bevorzugt bei einer mehrflutigen Abgasanlage anwendbar, wobei eine mehrflutige Abgasanlage insbesondere zur Verringerung des Abgasgegendrucks Anwendung findet und eine einflutige Abgasanlage einen einfachen Aufbau der Abgasanlage.
Die Ausführung der Abgasanlage kann einflutig, es gibt also nur eine Rohrleitung durch den gesamten Abgasstrang, oder zweiflutig, es existieren zwei parallele Abgassysteme, welche im Nachschalldämpfer gekoppelt sind, ausgeführt werden. Dabei sollte der Strömungswiderstand, also der Strömungsquerschnitt, so gewählt werden, dass die Leistung des Motors durch den Abgasgegendruck möglichst wenig beeinträchtigt wird. Dabei soll jedoch auch die Akustik der Abgasanlage nicht vernachlässigt werden, um die gesetzlichen Geräuschvorgaben zu erfüllen und eine angenehme Fahrakustik für den Fahrer zu ermöglichen. Abgasklappen sind lediglich bei mehrflutigen Anlagen zu finden. Dabei sitzen sie vor oder nach dem Nachschalldämpfer (NSD) vor dem Endrohr.
Jeder Verbrennungsmotor erzeugt durch den pulsierenden Gasausstoß aus den Zylindern ein so genanntes „Auspuffgeräusch“. Dieses wird gedämpft, indem die Schallenergie des Abgasstroms reduziert wird. Dieser Prozess findet überwiegend in einem Schalldämpfer im Fahrzeug statt. Aber auch in Resonatoren und Abgasklappen sind schalldämpfende und schallmodifizierende Elemente, mit denen besonders störende Frequenzanteile im Mündungsgeräusch beseitigt werden können. Daneben haben auch Katalysatoren eine schalldämpfende Wirkung.
Abgasklappen in modernen Abgasanlagen sind über verschiedene Ansteuermöglichkeiten verstellbar (z.B. elektrisch, hydraulisch, Unterdruck, Überdruck), wobei durch die Klappenstellung der Abgasgegendruck sowie die Akustik beeinflusst werden können. In aktuellen Fahrzeugmodellen werden Abgasklappen lediglich binär angesteuert (Klappe ganz auf oder Klappe komplett zu), wobei die Ansteuerung abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit, eingelegtem Gang, Gaspedalstellung und Motorlast erfolgt. Im Betrieb ist die Abgasklappe im unteren Drehzahl-/ Lastbereich meist geschlossen, um die gesetzlichen Geräuschanforderungen oder den akustischen Komfortanspruch zu erfüllen und wird ab einem bestimmten Drehzahl-/ Lastbereich geöffnet. Hierbei tritt ein Sprung im Geräuschpegel beim Öffnen der Klappe auf, welcher je nach Auslegung der Abgasanlage für den Fahrer deutlich hörbar sein kann.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Gang eine Übersetzungsstufe eines Fahrzeuggetriebes, insbesondere also eines Geschwindigkeitswechselgetriebes zu verstehen. Derartige Getriebe sind in unterschiedlichen Bauformen aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere als sogenanntes Automatikgetriebe, als Handschaltgetriebe, als automatisiertes Schaltgetriebe oder als Doppelkupplungsgetriebe, dabei ist das vorgeschlagene Verfahren unabhängig von der Bauart dieses Getriebes anwendbar.
Unter akustischer Spreizung versteht man den Pegelunterschied zwischen geschlossener Abgasklappe und offener Abgasklappe insbesondere bei einer Drehzahl sowie insbesondere auch bei einem bei einer Drehzahl zur Verfügung gestellten Drehmoment. Je größer der Pegelunterschied zwischen offener und geschlossener Klappe, desto größer ist die akustische Spreizung der Abgasanlage.
Mit der konventionellen, binären Abgasklappenschalttechnik ist daher die mögliche Abgasanlagenspreizung stark eingeschränkt, da sonst der akustisch wahrnehmbare Pegelsprung während der Schaltung zu groß ist und demnach durch die FZG-Insassen als störend empfunden wird. Damit ein Fahrzeug FZG sowohl komfortabel als auch sportlich betrieben werden kann, ist eine große akustische Spreizung der Abgasanlage allerdings erforderlich.
Somit ist gemäß dem Stand der Technik lediglich eine binäre Ansteuerung der Abgasklappe möglich. Die Nutzung der Pegeldifferenz zwischen geöffneter und geschlossener Klappe zur Beeinflussung des akustischen Komforts ist gemäß dem Stand der Technik nicht möglich. Folglich erfolgt gemäß dem Stand der Technik keine Reduzierung des Abgasgegendrucks durch eine teilweise Öffnung der Abgasklappe. Es ist keine Beseitigung von Fahrzeugresonanzen (Brummen) durch eine drehzahlkontinuierliche Beeinflussung der Abgasanlagenakustik möglich und es erfolgt ein deutlich hörbarer Klappensprung beim Öffnen der Abgasklappe mit störender Akustik. Gemäß dem Stand der Technik ist ferner kein lastabhängiges Feedback der Abgasanlage möglich, was besonders bei Turbomotoren nachteilig ist. Somit ist kein sanfter Rauschübergang des Strömungsrauschens möglich.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aufgeführten Nachteile zu überwinden und insbesondere eine Abgasanlage bereitzustellen, welche mit weniger technischem Aufwand die Anforderungen bezüglich Geräuschemission erfüllt und es ermöglicht, gesetzliche Anforderungen zur Emission des Außengeräuschs deutlich vereinfacht umzusetzen und eine dreh- und lastabhängige Regelung des Abgasanlagenkonzeptes bezüglich der Akustik bereitzustellen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Demgemäß wird eine Abgasanlage vorgeschlagen, mit mindestens einer Abgasklappe mit stufenlosem, insbesondere kontinuierlich verstellbarem, Aktuator, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit einer bereitgestellten Steuerungslogik einen Öffnungswinkel der Abgasklappe einstellt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer kontinuierlichen Abgasklappe, welche in ihrem Öffnungswinkel beliebig angesteuert und verändert werden kann.
Es erfolgt also keine binäre Ansteuerung der Klappenöffnung (zu/ auf), sondern die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt ein beliebiges Ansteuern der Klappe bzw. der Vorrichtung, die den Öffnungswinkel der Klappe bzw. den Öffnungsquerschnitt des Abgasstranges einstellt. Somit ist durch den Öffnungswinkel der Klappe der Öffnungsquerschnitt kontinuierlich einzustellen und somit kann im Folgenden das Merkmal des Öffnungswinkels auch durch den Begriff Öffnungsquerschnitt synonym ersetzt werden.
Als Abgasklappe wird in diesem Zusammenhang eine beliebige Vorrichtung verstanden, die den Öffnungsquerschnitt eines Abgasstranges einzustellen vermag.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuerungslogik eingerichtet, den Öffnungswinkel bzw. Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit eines Fahrpedalgradienten, einer Motorendrehzahl, einer Motorlast, eines Abgasanlagensounds, eines Strömungsrauschens eines Abgasgegendrucks und/oder eines Wunschmoments einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass alle Merkmale zur Einstellung des Winkels der Abgasklappe Verwendung finden können, oder aber auch nur eine Teilmenge hieraus.
Im Sinne der Erfindung ist unter dem Wunschmoment beziehungsweise dem Fahrerwunschmoment ein Einflussparameter zur Ansteuerung der Abgasklappe beziehungsweise zum Bestimmen des Öffnungswinkels der Abgasklappe zu verstehen. Das Fahrerwunschmoment prägt sich anders aus als der Fahrpedalwert, also die Stellung des Fahrpedals, mit welchem durch den Fahrer des Fahrzeugs eine Drehmomentanforderung an den Verbrennungsmotor vorgebbar ist, insbesondere ist über die Fahrpedalstellung also ein Beschleunigungswunsch für dieses Fahrzeug vorgebbar. Das Wunschmoment ist ein Parameter, welcher vorzugsweise in einem Kennfeld vorgebbar ist, und welcher damit insbesondere bereits vor der Fahrapplikation zur Verfügung steht. Insbesondere gibt das Wunschmoment an, welches Drehmoment der Verbrennungsmotor in der gegebenen Fahrsituation zur Verfügung stellen soll, wobei das Wunschmoment für die aktuelle Fahrsituation insbesondere durch die entsprechenden Lastanforderung des Fahrers, insbesondere also die Fahrpedalstellung, und zusätzlich insbesondere auch durch den gewählten Fahrmodus (insbesondere Eco, Sport, Sportplus) beeinflusst ist. Insbesondere kommt es je nach gewähltem Fahrmodus zu unterschiedlichen Turboladeransteuerungen bei gleicher Fahrpedalstellung und damit insbesondere zu unterschiedlichen Drehmomenten welche der Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung stellt. Insbesondere für die Turboladerverstellung beziehungsweise für das vom Verbrennungsmotor zum Antrieb für das Fahrzeug zur Verfügung zu stellende Drehmoment und damit insbesondere auch für das Wunschmoment, wird neben der Fahrpedalstellung und dem Fahrmodus wenigstens ein weitere Parameter berücksichtig, wie vorzugsweise die Motortemperatur oder die gemessene oder berechnete Temperatur wenigstens einer Komponente im Abgasstrang des Verbrennungsmotors. Das Wunschmoment beschreibt demnach bildlich gesprochen die Reaktion des Verbrennungsmotors auf die aktuelle Fahrpedalstellung unter Berücksichtigung wenigstens eines weiteren Parameters, wie vorzugsweise die Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors, wobei das Wunschmoment prozentual in Werten zwischen 0% und 100% ausgedrückt werden kann oder in Absolutwerten zwischen 0 Nm und dem maximal abgebbaren Drehmoment des Verbrennungsmotors oder in andren geeigneten Darstellungen.
Im Sinn der Erfindung ist unter einem Limitierungskennfeld ein Kennfeld von maximal zulässigen Öffnungswinkeln für die Abgasklappe, wenigstens in Abhängigkeit von der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors, zu verstehen. Der tatsächlich durch die vorgeschlagene Steuerung vorgegebene Öffnungswinkel für die Abgasklappe ist demnach kleiner oder gleich dem jeweiligen Wert für diesen Öffnungswinkel im Limitierungskennfeld. Vorzugsweise sind in dem Limitierungskennfeld die maximalen Öffnungswinkel für die aktuelle Fahrsituation abgelegt, wobei die aktuelle Fahrsituation in diesem Zusammenhang neben der Motordrehzahl durch den eingelegten Gang beziehungsweise die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs beschreibbar ist. Insbesondere durch eine kennfeldbasierte Ansteuerung der Öffnungswinkel unterhalb von vorgebbaren maximalen Werten ist eine sichere Erfüllung von Vorgaben erreichbar. Vorzugsweise sind die in dem Limitierungskennfeld abgelegten Werte vollständig oder teilweise durch Versuche ermittelt, durch Berechnung und/oder Simulationen ermittelte Werte oder frei vorgegebene Werte, insbesondere aus Erfahrungswerten. Der von einem Kraftfahrzeug abgegebene Schall setzt sich aus verschiedenen Quellen zusammen, insbesondere dem Verbrennungsmotor, Reifenabrollgeräuschen und Windgeräuschen. Wird ein bestimmtes Schallniveau, insbesondere durch den Fahrzeughersteller vorgegeben, welches das Kraftfahrzeug nicht überschreiten darf, so kann dieses durch das Limitierungskennfeld abgebildet werden. Bildlich gesprochen strahlt das Kraftfahrzeug durch Abrollgeräusche und Windgeräusche systembedingt Schall ab, bis zu dem vom Kraftfahrzeughersteller zugelassenen oder gewünschten Maximal- beziehungsweise Wunschwert für die Schallabstrahlung verbleibt noch ein bestimmter Rest, welcher durch die Schallabstrahlung des Verbrennungsmotors nutzbar ist. Grundsätzlich kann bei einem Verbrennungsmotor der vereinfachte Zusammenhang gelten, dass ein geringerer Abgasgegendruck zu höherer Schallemission und zu einem effizienteren Verbrennungsmotor führt. Insbesondere mit dem Limitierungskennfeld ist so eine Möglichkeit geschaffen, spezifische Vorgaben für die gesamte Schallemission des Kraftfahrzeugs, bei einem gleichzeitig effizienten Antrieb, zu realisieren.
Im Sinne der Erfindung ist neben dem Limitierungskennfeld ein weiteres Kennfeld, welches gemeinsam mit diesem zur Steuerung des Öffnungswinkels der Abgasklappe herangezogen wird, vorgesehen, dieses weitere Kennfeld wird als sogenanntes Emotionalisierungskennfeld bezeichnet. Vorzugsweise sind in dem Emotionalisierungskennfeld in Abhängigkeit des zuvor erläuterten Wunschmoments und vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl des Verbrennungsmotors, Emotionalisierungswerte abgelegt. Vorzugsweise sind die in dem Emotionalisierungskennfeld abgelegten Werte als Relativierung, der in dem Limitierungskennfeld abgelegten Werte, zu verstehen. Dabei ist Relativierung in diesem Zusammenhang derart zu verstehen, dass bildlich gesprochen die Emotionalisierungswerte einen Werte Bereich von 0 - 1 annehmen, der Öffnungswinkel, beziehungsweise der Grad des Öffnungswinkels der Abgasklappe, ergibt sich dann, als Produkt aus dem im Limitierungskennfeld abgelegten maximalen Öffnungsgrad der Abgasklappe und dem im Emotionalisierungskennfeld abgelegten Relativierungs-, sogenannter Emotionalisierungswerte. Anders gewendet und an einem gedachten Beispiel erläutert, bei einer bestimmten Fahrsituation, gegeben durch den eingelegten 3. Gang und bei einer Motordrehzahl von 3000 1/min, wäre ein maximaler Öffnungsgrad der Abgasklappe von 70% (70% von 90° entspricht 63°) im Limitierungskennfeld abgelegt. Der Fahrer fordert in dieser Situation eine starke Fahrzeugbeschleunigung (Fahrpedalstellung 100%, entspricht Vollastbeschleunigung) und das Wunschmoment liegt, aufgrund der weiteren, für die Ermittlung des Wunschmoments zu berücksichtigenden Parameter, bei 100%, dann kann der Emotionalisierungswert gleich 1 sein. In der beschriebenen exemplarischen Fahrsituation würde die Abgasklappe zu 70% geöffnet.
In einer vergleichbaren Fahrsituation, in welcher aufgrund von Randparametern, insbesondere einer erhöhten Motortemperatur, nur ein geringes Wunschmoment als zuvor möglich ist, damit wäre auch der diesem Wunschmoment und dieser Motordrehzahl im Emotionalisierungskennfeld zugeordnete Emotionalisierungskennwert geringer als zuvor, bspw. hier Emotionalisierungswert 0,5. Entsprechend des vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens für die Abgasklappe würde diese somit nicht zu 70% öffnen wie zuvor, sondern nur mehr 35% (70% mal 0,5).
Die vorgenannten Zahlwerte dienen lediglich der Veranschaulichung des vorgeschlagenen Verfahrens und sollen nicht als generelle Beschränkung verstanden werden, tragen aber zum allgemeinen Verständnis bei.
In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei unterschiedliche Emotionalisierungskennfelder für unterschiedliche Fahrmodi vorgesehen. Insbesondere durch unterschiedliche, vorzugsweise wählbare Fahrmodi, sind unterschiedliche akustische Rückkopplungen bei ansonsten gleichen Rahmenbedingungen ermöglicht.
In einer bevorzugt Ausführungsform ist ein sogenanntes Stillstandskennfeld vorgesehen, wobei die in diesem Stillstandskennfeld abgelegten Werte zur Beeinflussung des Öffnungsgrads der Abgasklappe herangezogen werden, insbesondere wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet. Vorzugsweise sind in dem Stillstandkennfeld Relativierungswerte, sogenannte Stillstandswerte, zur Beeinflussung des Öffnungswinkels der Abgasklappe abgelegt. Vorzugsweise ist das Stillstandskennfeld zusätzlich zum Emotionalisierungskennfeld vorgesehen und findet alternativ zu diesem Anwendung. Dabei ist alternativ in diesem Zusammenhang derart zu verstehen, dass das Emotionalisierungskennfeld Anwendung findet, wenn das Fahrzeug bewegt wird, beziehungsweise insbesondere wenn ein von einem Neutralgang unterschiedlicher Gang, insbesondere 1., 2., 3. oder dergleichen, Gang eingelegt ist und das Stillstandkennfeld findet insbesondere Anwendung wenn der Neutralgang eingelegt ist oder eine Parkposition aktiviert ist beziehungsweise wenn das Fahrzeug stillsteht. Vorzugsweise wird der wenigstens eine Stillstandswert aus dem Stillstandskennfeld zur Beeinflussung des Öffnungswinkels der Abgasklappe im Fahrzeugstillstand herangezogen. Vorzugsweise sind in dem Stillstandskennfeld Stillstandswerte in Abhängigkeit von der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors und in Abhängigkeit wenigstens der Fahrpedalstellung und/oder eines angewählten Fahrmodus abgelegt. Vorzugsweise sind die Stillstandswerte aus einem Werte Bereich von 0 bis 1 gewählt.
Vorzugsweise wird entweder das wenigstens eine Emotionalisierungskennfeld oder das Stillstandkennfeld zur Relativierung des maximalen Öffnungswinkels der Abgasklappe herangezogen. Vorzugsweise wird das Stillstandkennfeld zur Relativierung beziehungsweise Beeinflussung des Öffnungswinkels herangezogen für den Fall das kein Gang oder sogenannter Neutralgang eingelegt ist.
Besonders bevorzugt ist die Berücksichtigung aller Kenngrößen oder aber die Auswahl einiger Kenngrößen für jeweils einen Modus. Ein Modus ist hierbei beispielsweise ein technischer Effekt, der mittels der Winkeleinstellung bzw. der Öffnungsquerschnittschnitteinstellung erreicht werden soll. Dies kann beispielsweise ein akustischer Effekt sein, oder eine Auswirkung auf das Motorenverhalten mit sich führen. Insbesondere weiß der Fachmann, wie er die einzelnen Vorteile unter Verwendung der erfindungsgemäßen Abgasanlage implementieren kann. Beispielsweise kann er mit dem Winkel der Abgasklappe eine Reduzierung des Abgasgegendrucks herbeiführen oder einen Klappensprung vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuerungslogik eingerichtet, den Öffnungswinkel bzw. Öffnungsquerschnitt kontinuierlich einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass jeglicher Winkelwert eingestellt werden kann, und die Abgasklappe nicht lediglich binär angesteuert werden muss.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuerungslogik eingerichtet, die Winkelgröße bzw. den Öffnungsquerschnitt derart zu wählen, dass ein mit steigender Motorenlast kontinuierlicher Anstieg der Geräuschemission erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Geräuschemission entsteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuerungslogik eingerichtet, die Winkelgröße derart zu wählen, dass ein Klappensprung vermieden wird. Dies hat den Vorteil, dass kein unerwartetes Geräusch den Fahrer irritiert, ablenkt oder gar erschreckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hält die Steuerungslogik eine Zuordnung von bereitgestellten Werten von Einflussgrößen auf den Öffnungswinkel mitsamt daraus resultierendem Öffnungswinkel vor. Dies hat den Vorteil, dass ohne großen technischen Aufwand die gemessenen Motoren- oder Geräuschwerte einem Öffnungswinkel zugeordnet werden können, um ein empirisch erprobtes Verhalten herbeizuführen. Folglich können alle möglichen bzw. zu erwartenden Motorenwerte und Schallwerte in einer Tabelle hinterlegt werden und diese Werte können einer Klappenstellung zugeordnet werden. Somit lässt sich zu jedem Zeitpunkt die optimale Klappenstellung bzw. der Öffnungswinkel bestimmen. Der Fachmann kennt hierbei weitere Speichermöglichkeiten und Formate, wie er die Daten korrelieren kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hält die Steuerungslogik Kombinationen von Einflussgrößen auf die Öffnungswinkel bzw. den Öffnungsquerschnitt als jeweils einen Modus vor. Dies hat den Vorteil, dass dynamisch einzelne Modi bereitgestellt werden können, die jeweils einer Aufgabe dienen. So kann beispielsweise ein Modus für besonders sportliches Fahren oder für besonders ruhiges Fahren bereitgestellt werden. Auch können hierdurch gesetzliche Anforderungen implementiert werden, die ein bestimmtes Geräuschprofil vorschreiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem ersten Modus die Abgasklappe geöffnet, in einem zweiten Modus erfolgt eine lastabhängige Winkeleinstellung und es erfolgt keine Fahrpedalgradientberücksichtigung. Dabei ist in diesem Zusammenhang „geöffnet der Art zu verstehen, dass die Abgasklappe insbesondere auf den durch das Limitierungskennfeld begrenzten maximalen Öffnungsgrad geöffnet ist und damit ist insbesondere sichergestellt, dass die Abgasklappe einen Öffnungsgrad aufweist, welcher insbesondere eines unterhalb des bzgl. Zulassung maximal möglichen Öffnungswinkels, welcher im Limitierungskennfeld steht kann, liegt oder diesem entspricht. In einem dritten Modus erfolgt eine Fahrpedalgradientberücksichtigung und es erfolgt eine lastabhängige Winkeleinstellung und in einem vierten Modus ist die Klappe immer geschlossen, außer ab einer Grenze bzgl. des Strömungsrauschens, bei dem eine lastabhängige Winkelauswahl erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass dem Fahrer besonders ansprechende Profile bereitgestellt werden können.
Ferner wird eine Steuereinheit zum Steuern einer Abgasklappe einer Abgasanlage vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit einen Winkel der Abgasklappe kontinuierlich anhand einer bereitgestellten Steuerungslogik einstellt. Dies hat den Vorteil, dass bestehende Abgasanlagen mit geringem technischem Aufwand aufgerüstet werden 10 können.
Ferner wird ein Verfahren zum Steuern einer Abgasklappe einer Abgasanlage vorgeschlagen, wobei eine Steuereinheit einen Winkel der Abgasklappe kontinuierlich anhand einer bereitgestellten Steuerungslogik einstellt. Dies hat den Vorteil, dass bestehende Abgasanlagen mit geringem technischem Aufwand aufgerüstet werden können, und lediglich ein entsprechendes Steuermodul verbaut werden muss, welches das Verfahren implementiert.
Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, dass das Verfahren zum Betreiben der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Einheiten verwendet werden kann. Ferner eignen sich die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Einrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Somit implementiert jeweils die Vorrichtung strukturelle Merkmale, welche geeignet sind, das entsprechende Verfahren auszuführen. Auch hält das vorgeschlagene Verfahren Schritte zu Umsetzung der Funktion der strukturellen Merkmale bereit.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aspekte der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter ausgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließend zu verstehen, sondern haben beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns, daher werden bei der Beschreibung bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren.
In den Figuren zeigt:

1: ein schematisches Blockschaltbild eines Aspekts der erfindungsgemäßen Abgasanlage;
2: ein schematisiertes Blockschaltbild einer Steuerlogik mit einem Emotionalisierungskennfeld und einem Stillstandskennfeld;
3: ein schematisiertes Blockschaltbild mit mehreren Emotionalisierungskennfeldern zum Abbilden von Fahrmodi.
4: einen Teilschnitt durch ein Kraftfahrzeug mit Abgasklappe.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 mit mindestens einer Abgasklappe 2 mit stufenlosem bzw. kontinuierlichem Aktuator 3, wobei eine Steuereinheit 4 vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit einer bereitgestellten Steuerungslogik 5 einen Öffnungswinkel der Abgasklappe 2 einstellt. Lediglich eine mögliche Voraussetzung für die Umsetzung der Erfindung ist eine geeignet konzipierte Abgasanlage 1 mit großer akustischer Spreizung und eine kontinuierliche Abgasanlagenklappe. Hiermit kann die akustische Spreizung des Antriebsstrangs vorteilhaft umgesetzt werden. Hierbei enthält die Abgasanlage 1 mindestens eine Abgasklappe 2 mit kontinuierlichem Aktuator 3, welcher über die im Folgenden beschriebene modulare Funktionslogik 5 angesteuert wird.
Erfindungsgemäß kann eine Berücksichtigung des sogenannten Wunschmoments erfolgen wobei der Öffnungswinkel der Abgasklappe dauerhaft unter einem, für die jeweilige Fahrsituation vorgebbaren Grenzwert liegt, welcher in dem Limitierungskennfeld abgelegt ist. Diese ermöglicht insbesondere die manipulationssichere Erfüllung von Vorgaben, insbesondere auch gesetzlicher Vorgaben. Weiter ist mit der vorgeschlagenen Erfindung eine akustische Rückmeldung auf eine Lastanforderung des Fahrers ermöglicht. Diese Ziele sind mit der übersichtlichen und einfachen vorgeschlagenen Steuerungslogik erreichbar.
In 2 ist ein Blockschaltbild für die Steuerung der Abgasklappe 2 vorgeschlagenen Verfahrens gezeigt. Aus dem Limitierungskennfeld 17 wird in Abhängigkeit des ersten und zweiten Eingangsparameters 13, 14, insbesondere also des eingelegten Ganges und der Motordrehzahl der maximal zulässige Öffnungsgrad der Abgasklappe ermittelt. Dabei bedeute 0, Abgasklappe vollständig geschlossen, und 100 Abgasklappe vollständig geöffnet.
In dem Emotionalisierungskennfeld 18, wird in Abhängigkeit von dem zweiten und dritten Eingangsparameter 14, 15, insbesondere also der Motordrehzahl und dem Wunschmoment, der Relativierungswert ermittelt beziehungsweise ausgelesen. Ist dieses Kennfeld 18 durch den Kennfeldumschalter 20, dieser ist als eine Softwarefunktion und nicht als physikalischer Schalter zu verstehen, aktiviert, so werden der Limitierungswert (ausgelesen aus 17) und der Relativierungswert (ausgelesen aus 18) verknüpft 21 und zum Eingangssignal für den Treiber 22 zusammengeführt. Der Relativierungswert nimmt dabei Werte zwischen 0 und 1 an, so dass der vom Treiber 22 über den Aktuator 3 eingestellte Öffnungsgrad an der Abgasklappe immer gleich oder kleiner dem maximal zulässigen Öffnungsgrad der Abgasklappe 2 ist.
Weiter sind in dem Stillstandskennfeld 19, in Abhängigkeit von dem zweiten und vierten Eingangsparameter 14, 16, insbesondere also der Motordrehzahl und der Fahrpedalstellung die der Stillstandswerte abgelegt, beziehungsweise werden diese aus diesem ermittelt. Ist dieses Kennfeld 19 durch den Kennfeldumschalter 20 aktiviert, so werden der Limitierungswert (ausgelesen aus 17) und der Stillstandswert (ausgelesen aus 19) verknüpft 21 und zum Eingangssignal für den Treiber 22 zusammengeführt. Eine Unterscheidung in einem Emotionalisierungswert während der Fahrt des Fahrzeugs und einen Stillstandswert während des Stillstands des Fahrzeugs kann sinnvoll sein, da im Fahrzeugstillstand Fahrgeräusch entfallen und grundsätzliche eine andere akustische Reaktion des Fahrzeugs erwünscht sein kann. Der Stillstandskennwert ist dabei aus einem Wertebereich zwischen 0 und 1 gewählt, so dass der vom Treiber 22 über den Aktuator 3 eingestellte Öffnungsgrad an der Abgasklappe immer gleich oder kleiner dem maximal zulässigen Öffnungsgrad dieser Klappe 2 ist.
In 3 ist ein Blockschaltbild für die Steuerung der Abgasklappe 2 mit dem vorgeschlagenen Verfahren gezeigt. Aus dem Limitierungskennfeld 17 wird in Abhängigkeit des ersten und zweiten Eingangsparameters 13, 14, insbesondere also des eingelegten Ganges und der Motordrehzahl der maximal zulässige Öffnungsgrad der Abgasklappe ermittelt. Dabei bedeute 0, Abgasklappe vollständig geschlossen, und 100 Abgasklappe vollständig geöffnet.
Weiter sind in dem in 3 dargestellten Verfahren drei unterschiedliche Emotionalisierungskennfelder 18.K (Komfort, 18.S (Sport), 18.SP (Sportplus) für drei unterschiedliche Fahrmodi dargestellt. Die grundsätzliche Wirkweise der Emotionalisierungskennfelder 18.K, 18.S, 18.SP entspricht dabei der in 2 in Bezug auf das Emotionalisierungskennfeld 18 beschriebenen Wirkweise. Da des für den Fahrer wünschenswert sein kann, dass sich neben der Fahrdynamischen auch die Akustische Verhaltensweise des Fahrzeugs in unterschiedlichen Fahrmodi ändert sind hier exemplarisch drei Kennfelder vorgeschlagen. Der Kennfeldumschalter 20 aktiviert je nach gewähltem Fahrmodus das entsprechende Emotionalisierungskennfeld.
Der aus dem aktivierten Kennfeld (18,K, 18.S, 18.SP), vorliegend 18.K ausgelesene Relativierungswert wird mit dem Limitierungswert (ausgelesen aus 17) verknüpft 21 und zum Eingangssignal für den Treiber 22 zusammengeführt. Der Relativierungswert nimmt wie dargelegt Werte zwischen 0 und 1 an, so dass der vom Treiber 22 über den Aktuator 3 eingestellte Öffnungsgrad an der Abgasklappe 2 immer gleich oder kleiner dem maximal zulässigen Öffnungsgrad der Abgasklappe 2 ist.
In 4 ist ein schematisierter Teilschnitt eines Fahrzeugs mit der beschriebenen Abgasanlage 1 gezeigt. An der Karosserie 12 des Fahrzeugs ist mittels Aufhängungselementen 7 die Abgasanlage 1 befestigt. Die Abgasanlage 1 weist einen Nachschaldämpfer 8 auf, aus welchem über eine Endrohrmündung 6 Abgase aus der Abgasanlage 1 entwichen und zur Schalabstrahlung beitragen. Die entweichenden Abgase können mit der steuerbaren Abgasklappe 2 beeinflusst werden. Die Abgasklappe 2 ist zwischen einer geschlossenen Position, kleinster durchströmbarer Querschnitt für die Abgase, beziehungsweise vollständig geschlossen und einer vollständig geöffneten Position (größter durchströmbarer Querschnitt für die Abgase) bewegbar. Das vorgeschlagene Verfahren zur Steuerung der Abgasklappe 2 ist in Form computerausführbarer Steuerbefehl in einem Fahrzeugsteuergerät abgelegt, welches an die Aktuator 3 der Abgasklappe 2 angebunden ist. Die Anbindung 10 des Aktuators 3 an das Steuergerät erfolgt über einen Kabelbaum 9.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Ansteuerungsmöglichkeiten, kann die Auswahl des Fahrprofils bzw. einer Fahrerlebnisschaltereinstellung bei der Berechnung des Öffnungswinkels berücksichtigt werden. Hierbei soll zusätzlich auf die Kundenwünsche bezüglich Fahrkomfort und Fahrakustik eingegangen werden. Somit kann ein Fahrerlebnisschalter als ein Modusauswahlschalter bezeichnet werden. Dieser ermöglicht es dem Fahrer Voreinstellungen auszuwählen, wonach Fahrzeugparameter entsprechend eingestellt werden.
Die Umsetzung der verschiedenen Fahrprofile bzw. Fahrerlebnisschaltereinstellungen gemäß dem Stand der Technik ist nachteilig, häufig wird dabei eine drehzahl- und fahrpedalabhängige Öffnung der Abgasklappe ermöglicht, diese ist dann häufig nur mithilfe einer binären Funktionslogik (Klappe auf oder Klappe zu).
Während bekannten Verfahren häufig folgenden wenigen Modi, beziehungsweise mit diesen vergleichbare Modi, aufweisen sind, erfindungsgemäß eine Mehrzahl an zusätzlichen Modi möglich und innerhalb der Modi eine über das sogenannte Wunschmoment beeinflusste Steuerung der Abgasklappe ermöglicht.
Die oben genannten aus dem Stand der Technik bekannten Modi und die darin wirksamen Einflussparameter sind häufig:

- Sport; Sport Plus: Drehzahl- und Fahrpedalabhängige Öffnung, nur auf/ zu möglich, also kein Winkel einstellbar
- Komfort/ ECO Pro: Drehzahl- und Fahrpedalabhängige Öffnung, nur auf/ zu möglich, also kein Winkel einstellbar.

Zusammenfassend kann durch die oben beschriebene Erfindung die Kundenanforderung bezüglich Komfort und Sound, insbesondere Akkustikresponse, bzw. das vom Fahrer gewünschte oder vom Fahrzeughersteller vorgebbare akustische Drehzahl-/Lastfeedback, auf bestimmte Fahrsituationen unter Berücksichtigung des Wunschmoments besser erfüllt werden. Das Handling für gesetzliche Anforderungen zum Außengeräusch wird vereinfacht und manipulationssicherer als bisher, insbesondere durch das Limitierungskennfeld, dargestellt. Weiter vorteilhaft eröffnet diese Erfindung auch eine Möglichkeit die Spreizung einer Abgasanlage stärker auszubilden und damit auch das Potential den Gegendruck und damit die Leistungsentfaltung eines Motors zu verbessern.
Besonders vorteilhaft ist hierbei die drehzahlabhängige Applikation des maximal anzusteuernden Öffnungswinkels bei Volllast und das Herausfiltern bzw. die Möglichkeit zur Reaktion auf frequenzabhängige Fahrzeugschwächen sowie die Erhöhung des Akustikkomforts. Erfindungsgemäß kann die Variation des Pegelverlaufs über der Last erfolgen, wodurch ein Ausgleich akustischer Nachteile eines turboaufgeladenen Motors erfolgen kann. Folglich wird eine unterstützende Akustik und hohe Differenzierbarkeit für jedes Fahrprofil bzw. jede Fahrerlebnisschalterstellung durch breitere Variationsmöglichkeiten der Abgasakustik geschaffen. Mehrere Modi mit unterschiedlicher Akustik sind somit umsetzbar. Dies bringt insbesondere eine Verbesserung der Steuerung des Öffnungswinkels der Abgasklappe und die Erfüllung von Vorgaben bezüglich der Geräuschemission des Fahrzeugs mit sich. Eine Beeinflussung des Abgasgegendrucks in Verbindung mit größerem Abgasstrangquerschnitt ist ebenso erfindungsgemäß erreichbar.
Als eine Abgasklappe kann alternativ auch ein Abgasventil bzw. ein Mechanismus zur Querschnittsreduzierung einer Abgasflut oder eines Abgasstrangs dienen, welcher ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
Der Fahrpedalgradient wird beispielsweise in Abhängigkeit eines Pedalwinkels bestimmt. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung ein Lastfeedback über die Klappenstellungen. Der Kunde erlebt bei Beschleunigung durch ein zusätzliches akustisches Feedback über der Last, was konventionell nur über Drehzahl oder als Pegelsprung möglich ist. Außerdem wird ein Variieren des drehzahlabhängigen Pegelverlaufs im Innenraum anhand Klappenstellungen ermöglicht. Das Verhalten von Abgasanlagen kann anhand der Klappenstellungen über der Drehzahl in ihrem Pegelverlauf frei variiert werden. Es erfolgt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Beeinflussung der subjektiven akustischen Bewertung des Fahrzeuges und eine gezielte Reaktionsmöglichkeit auf FZG Schwächen ist möglich. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Unabhängigkeit von der Getriebeplattform, ist also für Handschalter und Automaten geeignet, da keine Kopplung des Klappensprungs an den Getriebeschaltvorgang mehr nötig ist. Durch eine mehrstufige Steuerung ist eine akustische Dynamik auch oberhalb Strömungsrauschgrenze möglich.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage (AGA)
2: Abgasklappe
3: Aktuator zur Verstellung von 2
4: Steuereinheit
5: Steuerungslogik
6: Endrohrmündung
7: Aufhängungselement
8: Nachschalldämpfer
9: Kabelbaum
10: Anbindung zum Motorsteuergerät
11: Reifen
12: Fahrzeugkarosserie
13: Erster Eingangsparameter, eingelegter Gang
14: Zweiter Eingangsparameter, Motordrehzahl des Verbrennungsmotors
15: Dritter Eingangsparameter, Wunschmoment und ggf. Fahrmodus
16: Vierter Eingangsparameter, insbesondere Fahrpedalstellung und ggf. Fahrmodus
17: Limitierungskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Limitierungswerts aufgrund der Eingangsparameter
18: Emotionalisierungskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Relativierungswerts aufgrund der Eingangsparameter
18.K: Emotionalisierungskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Relativierungswerts aufgrund der Eingangsparameter für den Komfortmodus
18.S: Emotionalisierungskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Relativierungswerts aufgrund der Eingangsparameter für den Sportmodus
18.SP: Emotionalisierungskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Relativierungswerts aufgrund der Eingangsparameter für den Sportplusmodus
19: Stillstandskennfeld, beziehungsweise Auswahl des Stillstandswerts
20: Kennfeldumschalter
21: Verknüpfung der Kennfeldwerte
22: Treiber zur Ansteuerung der geregelten beziehungsweise winkelverstellbaren Abgasklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013219332 A1 [0002]
DE 10231056 A1 [0002]
DE 102005054991 A1 [0003]

Claims

Abgasanlage (1) mit mindestens einer Abgasklappe (2) mit kontinuierlichem Aktuator (3), wobei eine Steuereinheit (4) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit einer bereitgestellten Steuerungslogik (5) einen Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) einstellt und wobei die Steuerungslogik (5) eingerichtet ist, zur Steuerung des Öffnungswinkels der Abgasklappe wenigstens einen oder mehrerer der folgenden Parameter Fahrpedalgradienten, Motordrehzahl, Motorlast, Abgasanlagensound, Strömungsrauschen und/oder Abgasgegendruck zu berücksichtigen, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) wenigstens zeitweise in Abhängigkeit von einem Wunschmoment regelbar ist und dass dieser Öffnungswinkel während dieser Regelung dauerhaft kleiner ist, als in ein einem Limitierungskennfeld (17) für die aktuelle Fahrsituation vorgegeben und dass die aktuelle Fahrsituation wenigstens durch den aktuell eingelegten Gang und die aktuelle Motordrehzahl bestimmt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Emotionalisierungskennfeld (18, 18.K, 18.S, 18.SP) vorgesehen ist, dass mit diesem Emotionalisierungskennfeld (18, 18.K, 18.S, 18.SP) der Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) beeinflussbar ist, dass in dem Emotionalisierungskennfeld (18, 18.K, 18.S, 18.SP) in Abhängigkeit von dem aktuellen Wunschmoment und von der aktuellen Motordrehzahl ein Emotionalisierungswert abgelegt ist und dass der Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) durch diesen Emotionalisierungswert beeinflusst werden kann.
Abgasanlage nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens zwei oder mehr unterschiedliche Fahrmodi unterschiedliche Emotionalisierungskennfelder (18, 18.K, 18.S, 18.SP) zur Steuerung des Öffnungswinkels der Abgasklappe (2) herangezogen werden.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stillstandkennfeld (19) vorgesehen ist, dass in dem Stillstandskennfeld in Abhängigkeit von einer Fahrpedalstellung und einem Fahrmodus und einer Motordrehzahl ein Stillstandswert abgelegt ist und dass der Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) durch diesen Stillstandswert beeinflussbar ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik (5) eingerichtet ist, den Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) kontinuierlich einzustellen.
Abgasanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik (5) eingerichtet ist, den Öffnungswinkel derart zu wählen, dass ein mit steigender Motorenlast beziehungsweise ein Anstieg der Geräuschemission erfolgt.
Abgasanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik (5) eingerichtet, ist den Öffnungswinkel der Abgasklappe (2) derart zu wählen, dass ein Klappensprung vermieden wird.
Steuereinheit (4) zum Steuern einer Abgasklappe (2) einer Abgasanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) einen Winkel der Abgasklappe (2) anhand einer bereitgestellten Steuerungslogik (5) nach einem Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche steuert.
Steuereinheit (4) zum Steuern einer Abgasklappe nach Anspruch (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik (5) in Form von computerausführbaren Befehlen auf einer Speichereinrichtung abgespeichert ist.