DE10219666A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adapriven Steuerung eines Motors mit variablem Hubraum - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur adapriven Steuerung eines Motors mit variablem Hubraum

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Abstract

Ein Steuerunhssystem zum Steuern des Hubraums eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum umfasst, dass eine Variable gemessen wird, die das Drehmoment für den Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum angibt, ein Drehmomentschwellenwert erzeugt wird, der eine Drehmomentbedingung angibt, um den Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu verändern, und das Fahrerverhalten charakterisiert wird, um den Drehmomentschwellenwert zu bestimmen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum zu steuern.
  • Die gesetzlichen Voraussetzungen auf dem Kraftfahrzeugmarkt haben zu einem zunehmenden Bedarf geführt, bei gegenwärtigen Fahrzeugen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und die Emissionen zu verringern. Diese gesetzlichen Voraussetzungen müssen mit den Forderungen eines Verbrauchers nach hohem Leistungsvermögen und schnellem Ansprechvermögen eines Fahrzeugs in Einklang gebracht werden. Verbrennungsmotoren mit variablem Hubraum (ICE) sorgen für eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und ein bedarfsabhängiges Drehmoment, indem sie nach dem Prinzip der Zylinderdeaktivierung wirken. Bei Betriebsbedingungen, die ein hohes Abtriebsdrehmoment erfordern, wird jeder Zylinder eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum mit Kraftstoff und Luft (und auch mit Zündfunken im Fall eines Benzin- Verbrennungsmotors) versorgt, um Drehmoment für den Verbrennungsmotor bereitzustellen. Bei Betriebsbedingungen mit geringer Geschwindigkeit, geringer Last und/oder anderen uneffizienten Bedingungen für einen Verbrennungsmotor mit vollem Hubraum können Zylinder deaktiviert werden, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für den Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum und das Fahrzeug zu verbessern. Beispielsweise wird bei dem Betrieb eines Fahrzeugs, das mit einem Acht-Zylinder-Verbrennungsmotor mit variablem. Hubraum ausgestattet ist, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert, wenn der Verbrennungsmotor bei Betriebsbedingungen mit niedrigem Drehmoment mit nur vier Zylindern betrieben wird, indem Drosselungsverluste reduziert werden. Drosselungsverluste, die auch als Pumpverluste bekannt sind, sind die zusätzliche Arbeit, die ein Verbrennungsmotor leisten muss, wenn die den Zylinder füllende Luft bei Teillasten eingeschränkt werden muss. Der Verbrennungsmotor muss deshalb Luft von dem relativ niedrigen Druck eines Ansaugrohrs durch die Zylinder hindurch und hinaus zur Atmosphäre pumpen. Die Zylinder, die deaktiviert sind, werden es. nicht zulassen, dass Luft durch ihre Einlass- und Auslassventile strömt, wodurch Pumpverluste reduziert werden, indem den aktiven Zylindern erlaubt wird, mit einem höheren Ansaugrohrdruck zu arbeiten. Da die deaktivierten Zylinder es nicht zulassen, dass Luft strömt, werden zusätzliche Verluste vermieden, weil die eingefangene Ladung in den deaktivierten Zylindern während der Kompression und Dekompression der Luft in jedem deaktivierten Zylinder als "Luftfedern" wirkt.
  • Bei früheren Verbrennungsmotoren mit variablem Hubraum war das Umschalten oder Pendeln zwischen der Betriebsart mit Teilhubraum und der Betriebsart mit vollem Hubraum problematisch. Ein häufiges Pendeln zwischen den beiden Betriebsarten verkehrt die Vorteile der Kraftstoffwirtschaftlichkeit ins Gegenteil und beeinträchtigt die Fahrbarkeit des Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum. Die Fahrgewohnheiten des Bedieners werden die Häufigkeit, mit der ein Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum zwischen der Betriebsart mit Teilhubraum und der Betriebsart mit vollem Hubraum pendeln wird, sowie die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorzüge eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum beeinflussen. Ein häufiges Pendeln wird auch die Lebensdauer der Bauteile in einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum beeinträchtigen.
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Zylinderdeaktivierung in einem Motor mit variablem Hubraum. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Acht-Zylinder-Verbrennungsmotor (ICE) als Vier-Zylinder-Motor betrieben werden, indem vier Zylinder deaktiviert werden. Die Zylinderdeaktivierung tritt als eine Funktion der Last oder des von dem Fahrzeug benötigten Drehmoments und des Fahrerverhaltens auf. Erfindungsgemäß wird ein unterschiedliches Fahrerverhalten unterschiedliche Kriterien für ein Umschalten von der Betriebsart mit Teilhubraum zu der mit vollem Hubraum eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum schaffen.
  • Die vorliegende Erfindung charakterisiert Fahrer und ihre bezüglich der Fahrbarkeit wahrgenommenen Anforderungen.
  • In Fig. 1 ist ein Graph des Kraftstoffwirtschaftlichkeitsgewinns gezeigt, wobei drei Typen von Fahrern charakterisiert sind. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann irgendeine Anzahl von Fahrertypen charakterisiert werden. Ein das Gaspedal sanft betätigender Fahrer oder konservativer Fahrer ist ein Fahrer, der die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum mit größter Wahrscheinlichkeit überwachen wird. Dieser Typ von Fahrer wird wahrscheinlich unzufrieden, wenn die beanspruchten Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile nicht erreicht werden. Für diesen Typ von Fahrer sollte der Betrieb in einer Betriebsart mit Teilhubraum größtmöglich ausgedehnt werden.
  • Ein normaler Fahrer (Nennfahrer) würde einen normierten oder Nennpendelverlauf zwischen Teilhubraum und vollem Hubraum in einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum benutzen.
  • Ein aggressiver Fahrer wird sich aufgrund des hohen Leistungsbedarfs und der starken Dynamik der Brems- und Gaspedale wahrscheinlich nicht über lange Zeit in der Betriebsart mit Teilhubraum befinden. Der aggressive Fahrer wird einen geringeren Kraftstoffwirtschaftlichkeitsgewinn als ein konservativer oder normaler Fahrer realisieren und wird unzufrieden sein, wenn sich die Zylinderdeaktivierung nachteilig auf das gewünschte Fahrerlebnis auswirkt. Der aggressive Fahrer würde zahlreiche Umschaltzyklen erzwingen, wenn die Steuerung des Hubraums des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum eine Nennkalibrierung verwenden würde.
  • Die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum sollte für die Pedale sanft betätigende Fahrer und für normale Fahrer größtmöglich erhöht werden, da ihr Fahrverhalten eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit ohne irgendeine wahrgenommene Abnahme des Leistungsvermögens erlauben wird. Aggressive Fahrer werden hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile eines Motors mit variablem Hubraum nicht so besorgt sein, da sie das Leistungsvermögen bevorzugen. Die vorliegende Erfindung erhöht größtmöglich die Zeitdauer, die in der Betriebsart mit Teilhubraum verbracht wird, für einen die Pedale sanft betätigenden Fahrer und einen normalen Fahrer, während das gleiche Leistungsvermögen und die gleiche Fahrbarkeit wie bei einem Verbrennungsmotor mit vollem Hubraum für einen aggressiven Fahrer beibehalten wird.
  • Das Motorsteuerungssystem der vorliegenden Erfindung kann den Typ von Fahrer charakterisieren, indem zahlreiche Sensoreingänge, wie etwa von einem Gaspedalstellungssensor, einem Bremspedalsensor, einem Ansaugrohrluftdrucksensor, einem Drosselklappenstellungssensor und anderen traditionellen Sensoren, bei der Steuerung eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Durch die Überwachung dieser Sensoreingänge über die Zeit wird das Motorsteuerungssystem den Fahrer charakterisieren und dann kalibrierte Umschaltpunkte für jeden Typ von Fahrer benutzen, die es zulassen werden, dass ein die Pedale sanft betätigender Fahrer oder ein normaler Fahrer schnell in die Betriebsart mit Teilhubraum eintreten kann, während ein unannehmbar häufiges Pendeln zwischen den Hubraum-Betriebsarten für einen aggressiven Fahrer verhindert wird. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können adaptive Umschaltpunkte verwendet werden, die sich in Ansprechen auf das Fahrerverhalten kontinuierlich ändern. Ein variables Filter für Sensoreingänge mit kalibrierten Hysteresepaaren kann bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden, um die Pendeltätigkeit zu verringern.
  • Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:
  • Fig. 1 ein Graph des prozentualen Kraftstoffwirtschaftlichkeitsgewinns, der mit unterschiedlichen Fahrercharakterisierungen gezeigt ist,
  • Fig. 2 eine schematische Zeichnung des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 3 ein Graph der Charakterisierung der Umschaltkriterien für Teilhubraum, und
  • Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugsteuersystems 10 der vorliegenden Erfindung. Das Steuersystem 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12 mit variablem Hubraum, der Einspritzventile 14 und Zündkerzen 16 (im Fall eines Benzinmotors) aufweist, die von einem Motor- oder Antriebsstrang-Controller 18 gesteuert werden. Die Drehzahl und die Stellung der Kurbelwelle 21 des Verbrennungsmotors 12 werden von einem Drehzahl- und Stellungsdetektor 20 detektiert, der ein Signal, wie eine Impulsfolge, für den Motor- oder Antriebsstrang-Controller 18 erzeugt. Der Verbrennungsmotor 12 kann einen Benzin-Verbrennungsmotor oder irgendeinen anderen in der Technik bekannten Verbrennungsmotor umfassen. Ein Ansaugrohr 22 liefert den Zylindern 24 des Verbrennungsmotors 10 Luft, wobei die Zylinder Ventile 25 aufweisen. Die Ventile 25 sind ferner mit einer Betätigungsvorrichtung 27 gekoppelt, wie sie etwa bei einer Anordnung eines Motors mit oben gesteuerten Ventilen oder obenliegender Nockenwelle verwendet wird, die physikalisch mit den Ventilen 25 gekoppelt und entkoppelt werden kann, um eine Luftströmung durch die Zylinder 24 hindurch abzuschalten. Ein Luftmengensensor 26 und ein Ansaugrohrluftdrucksensor 28 (MAP-Sensor, MAP = manifold absolut pressure = Ansaugrohrdruck) detektieren den Luftdurchsatz und den Luftdruck innerhalb des Ansaugrohrs 22 und erzeugen Signale für den Antriebsstrang-Controller 18. Der Luftmengensensor 26 ist vorzugsweise ein Hitzdrahtanemometer, und der MAP-Sensor 28 ist vorzugsweise ein Dehnungsmesser.
  • Eine elektronische Drosseleinrichtung (ETC) 30, die eine Drosselklappe aufweist, die von einem Controller der elektronischen Drosseleinrichtung 32 gesteuert wird, steuert die in das Ansaugrohr 22 eintretende Luftmenge. Die elektronische Drosseleinrichtung 30 kann durch irgendeine in der Technik bekannte Elektromotor- oder Betätigungstechnologie betätigt werden, die einschließt aber nicht beschränkt ist auf Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren, bürstenlose Permanentmagnetmotoren und Reluktanzmotoren. Der Controller der elektronischen Drosseleinrichtung 32 umfasst eine Leistungsschaltung, um die elektronische Drosseleinrichtung 30 zu modulieren, und eine Schaltung, um einen Stellungs- und Geschwindigkeits- oder Drehzahleingang von der elektronischen Drosseleinrichtung 30 zu empfangen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein absoluter Drehcodierer mit der elektronischen Drosseleinrichtung 30 gekoppelt, um dem Controller der elektronischen Drosseleinrichtung 32 Drehzahl- und Stellungsinformation zu liefern. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Potentiometer dazu verwendet werden, Drehzahl- und Stellungsinformation für die elektronische Drosseleinrichtung 30 zu liefern. Der Controller der elektronischen Drosseleinrichtung 32 umfasst ferner eine Kommunikationsschaltung, wie etwa eine serielle Verbindungsschnittstelle oder eine Kraftfahrzeug-Kommunikationsnetzschnittstelle, um mit dem Antriebsstrang-Controller 18 über ein Kraftfahrzeug-Kommunikationsnetz 33 zu kommunizieren. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Controller der elektronischen Drosseleinrichtung 32 vollständig in den Antriebsstrang-Controller 18 integriert sein, um die Notwendigkeit für einen physikalisch getrennten Controller der elektronischen Drosseleinrichtung zu beseitigen.
  • Ein Bremspedal 36 in dem Fahrzeug ist mit einem Bremspedalsensor 38 ausgestattet, um die Bremshäufigkeit und das Ausmaß des von einem Bediener des Fahrzeugs auf dem Bremspedal 36 erzeugten Druckes zu bestimmen. Der Bremspedalsensor 38 erzeugt ein Signal für den Antriebsstrang-Controller 18, um eine Bremsbedingung für das Fahrzeug zu bestimmen. Eine Bremsbedingung wird eine Bedingung mit geringem Drehmoment/ geringer Anforderung für den Verbrennungsmotor 12 mit variablem Hubraum angeben. Ein Gaspedal 40 in dem Fahrzeug ist mit einem Pedalstellungssensor 42 ausgestattet, um die Stellung und die Änderungsrate des Gaspedals 40 zu erfassen. Das Signal des Pedalstellungssensors 42 wird auch mit: dem Antriebsstrang-Controller 18 in Verbindung gebracht. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Bremspedalsensor 38 ein Dehnungsmesser und der Pedalstellungssensor 42 ist ein absoluter Drehcodierer.
  • Das bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in dem Flussdiagramm von Fig. 4 beschrieben. Das Verfahren beginnt bei Block 50, bei dem ein Bediener das Fahrzeug gestartet und einen Getriebeschaltvorgang ausgeführt hat. Bei Block 52 arbeitet der Verbrennungsmotor 12 in der Betriebsart mit vollem Hubraum. Bei Block 53 werden Kalibrierungs- oder Umschaltpunkte der Betriebsart mit Teilhubraum auf "normal" gesetzt, bis das Verhalten des Fahrers charakterisiert werden kann. Die Betriebsart-Umschaltpunkte oder Kalibrierungswerte beruhen bei der bevorzugten Ausführungsform auf den erfassten MAP-Werten, können aber jede andere Variable umfassen, die das Abtriebsdrehmoment eines Verbrennungsmotors angibt. Bei Block 54 überwacht der Controller 18 den Gaspedalstel- lungssensor 42, den Bremspedalsensor 38 und den MAP-Sensor 28. Bei Block 55 wird die Betriebsart des Verbrennungsmotor 12 auf der Grundlage des MAP-Drucks bestimmt.
  • Bei Block 56 wird der Fahrer unter Verwendung von Sensordaten als ein die Pedale sanft betätigender Fahrer, als ein normaler Fahrer oder als ein aggressiver Fahrer charakterisiert. Die Sensordaten von besonderem Interesse sind die Anzahl von spezifischen Drehmomentänderungen oder -anforderungen pro Zeiteinheit durch den Fahrer.
  • Bei Block 58 werden nach Fig. 3 die Umschaltpunkte für eine besondere Fahrercharakterisierung bestimmt. Fig. 3 umfasst Kurven 43 und 44, die kalibrierte Umschaltpunkte für eine Fahrercharakterisierung und den MAP kartieren. Kurve 43 veranschaulicht, dass die nominalen und konservativen Fahrer bis zu einem viel höheren MAP-Niveau oder Prozentsatz der Volllast in der Betriebsart mit Teilhubraum bleiben werden, bevor zu vollem Hubraum umgeschaltet wird. Ähnlich nimmt die Anzahl von Messungen oberhalb der Anforderung für vollen Hubraum in Kurve 43 oder die Zeitverzögerung vor dem Umschalten in die Betriebsarten mit vollem Hubraum, wie es in Kurve 44 gezeigt ist, für die nominalen und konservativen Fahrer zu. Die Kurven 43 und 44 werden experimentell bestimmt, um die Zeit in der Betriebsart mit Teilhubraum größtmöglich zu erhöhen, ohne die Fahrbarkeitserwartungen von unterschiedlichen Typen von Fahrern zu verschlechtern. Die Umschaltkalibrierungen sind im Speicher des Antriebsstrang-Controllers 18 gespeichert und derart gewählt, dass sie der Fahrercharakterisierung entsprechen. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Kalibrierung adaptiv sein, so dass sie einem sich änderndem Fahrverhalten eines besonderen Fahrers entspricht. Bei Block 60 pendelt der Verbrennungsmotor 12 gemäß der ausgewählten Kalibrierung zwischen Teilhubraum und vollem Hubraum.
  • Zusammengefasst umfasst ein Steuerungssystem zum Steuern des Hubraums eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum, dass eine Variable gemessen wird, die das Drehmoment für den Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum angibt, ein Drehmomentschwellenwert erzeugt wird, der eine Drehmomentbedingung angibt, um den Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu verändern, und das Fahrerverhalten charakterisiert wird, um den Drehmomentschwellenwert zu bestimmen.

Claims (15)

1. Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend:
einen Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum,
einen Controller zum Steuern des Hubraums des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum,
einen elektronisch mit dem Controller gekoppelten Gaspedalstellungssensor,
wobei der Controller Pedalstellungsinformation von dem Gaspedalstellungssensor empfängt und den Typ von Fahrer, der das Fahrzeug betreibt, charakterisiert, und
wobei der Controller, der die Fahrercharakterisierung verwendet, bestimmt, wann der Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum in der Betriebsart mit Teilhubraum betrieben werden soll.
2. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum ein Benzinmotor ist.
3. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum mindestens zwei Zylinder umfasst.
4. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum ein Acht- Zylinder-Motor ist.
5. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen elektronisch mit dem Controller gekoppelten Bremspedalsensor umfasst.
6. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller Bremspedalbetriebsinformation von dem Bremspedalsensor empfängt und ferner den Typ von Fahrer, der das Fahrzeug betreibt, charakterisiert.
7. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller mehrere Kalibrierungen umfasst, um einen Ansaugrohrdruck-Umschaltpunkt zu bestimmen und somit zu bestimmen, wann der Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum in einer Betriebsart mit Teilhubraum betrieben werden soll.
8. Verfahren zum Steuern des Hubraums eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum in einem Fahrzeug mit den Schritten, dass:
der Ansaugrohrdruck in dem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum bestimmt wird,
die Gaspedalstellung in dem Fahrzeug bestimmt wird,
das Fahrerverhalten auf der Grundlage der Änderungen der Gaspedalstellung charakterisiert wird,
eine Kalibrierung des Ansaugrohrdrucks auf der Grundlage der Charakterisierung des Verhaltens bestimmt wird, und
der Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum anhand der Kalibrierung verändert wird.
9. Verfahren flach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt, dass das Fahrerverhalten auf der Grundlage der Änderungsrate der Gaspedalstellung charakterisiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt, dass das Fahrerverhalten auf der Grundlage der Änderungshäufigkeit für ein Bremspedal charakterisiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt, dass der bestimmte Ansaugrohrdruck gefiltert wird.
12. Verfahren zum Steuern des Hubraums eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum mit den Schritten, dass:
eine Variable gemessen wird, die das Drehmoment für den Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum angibt,
ein Drehmomentschwellenwert erzeugt wird, der eine Drehmomentbedingung angibt, um den Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu verändern, und
das Fahrerverhalten charakterisiert wird, um den Drehmomentschwellenwert zu bestimmen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable der Ansaugrohrdruck in dem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable ein gemessenes Abtriebsdrehmoment des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum ist.
15. Verfahren zum Steuern des Hubraums eines Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum mit den Schritten, dass:
eine Variable gemessen wird, die das Drehmoment für den Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum angibt,
die Variable, die das Drehmoment angibt, gefiltert wird,
ein Drehmomentschwellenwert erzeugt wird, der eine Drehmomentbedingung angibt, um den Hubraum des Verbrennungsmotors mit variablem Hubraum zu verändern, und
das Fahrerverhalten charakterisiert wird, um den Drehmomentschwellenwert zu bestimmen.
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