DE10232942B4

DE10232942B4 - Verfahren zur Steuerung einer gleichmäßigen Drehmomentabgabe einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10232942B4
Application number: DE10232942A
Authority: DE
Inventors: Franz Kunz; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2022-07-20
Also published as: DE10232942A1; FR2842567A1; FR2842567B1

Abstract

Verfahren zur gleichmäßigen Drehmomentabgabe einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladung und variabler Nockenwellenverstellung, mit folgenden Verfahrensschritten:
– eine Änderung der Lastanforderung wird erfasst,
– bei einer erhöhten Lastanforderung wird abhängig vom Betriebspunkt, eine erhöhte Ventilüberschneidung (44) eingestellt,
– nach einer Änderung des Betriebspunkts hin zur höheren Lastwerten, wird die Ventilüberschneidung wieder reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für eine gleichmäßige Drehmomentabgabe einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und variabler Nockenwellenverstellung.

Eine variable Nockenwellenverstellung ist beispielsweise in WO 99/43930 beschrieben. Wie allgemein bekannt, wird zur Steuerung des Gaswechsels bei dem 4-Takt-Verfahren eine mit halber Motordrehzahl drehende Nockenwelle von der Kurbelwelle angetrieben. Die Nockenwelle öffnet die für das Ausschieben des verbrauchten Gases und für das Ansaugen der Frischgase ausgelegten Gaswechselventile. Kurz vor einem unteren Totpunkt öffnet das Auslassventil. Der sich nach oben bewegende Kolben sorgt während des Ausschubstakts für eine nahezu vollständige Entfernung der Brenngase aus dem Brennraum. Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens, hier Gaswelchsel – oberer – Totpunkt, öffnet das Einlassventil bei noch geöffnetem Auslassventil. Nachfolgend schließt das Auslassventil und bei geöffnetem Einlassventil kann der sich der nach unten bewegende Kolben Frischluft ansaugen. Während der Überschneidungsphase werden Abgase direkt vom Brennraum in den Einlasskanal oder vom Auslasskanal zurück in den Brennraum und dann in den Einlasskanal gesaugt. Dieser Effekt wird als innere Abgasrückführung bezeichnet.

Bei der Verstellung der Nockenwelle erfolgt eine Veränderung der „Einlass-öffnet" bzw. „Einlass-schließt" Steuerzeiten durch eine Verdrehung der Einlassnockenwelle über einen Hydrauliksteller. Die Verstellung erfolgt bevorzugt abhängig von der Motordrehzahl.

Bei herkömmlichen Verfahren wird die Nockenwellen-Sollposition in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch am Gaspedal, der Motordrehzahl und der Kühlmitteltemperatur berechnet. Ferner wird bei der Berechnung der Sollposition für die Nockenwelle die Ansauglufttemperatur und der Umgebungsdruck berücksichtigt.

Bei Abgasturboaufladung ist das dynamische Anlaufverhalten teilweise verzögert. Die Verzögerung entsteht insbesondere beim Übergang vom Teillastbetrieb zum Vollastbetrieb und wird gelegentlich auch als „Turboloch" bezeichnet. Bei diesem Übergang des Betriebspunkts kommt es zu einer ungleichmäßigen Drehmomentabgabe.

Aus DE 195 11 787 A1 ist ein Ventileinstellregelsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt. Bei dem System erfolgt eine Einstellung des Drehwinkels zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, wobei beide Winkelpositionen jeweils über Sensoren gemessen werden. Zur genauen Einstellung eines Verdrehwinkels von Nockenwelle gegenüber Kurbelwelle werden die gemessenen Ist-Werte mit den vorgegebenen Sollwerten verglichen und die Ist-Position eingeregelt.

Aus DE 199 51 096 A1 ist ein Motorregelsystem für einen mittels Abgasturbolader aufgeladenen Dieselmotor bekannt, bei dem ein Sonderbetriebsmodus vorgeschlagen wird. Für den Sonderbetriebsmodus wird vorgeschlagen, das Luft-/Kraftstoffgemisch entweder mager oder stöchiometrisch einzusetzen oder eine Nacheinspritzung bzw. eine Erhöhung der Abgasrückführrate vorzunehmen.

Aus DE 100 33 437 A1 ist eine Ventilbetätigungsvorrichtung bekannt, bei der die Nockenwelle mit einem Nockenpaar jeweils für einen Betriebsmodus versehen ist. Eine Umschalteinrichtung schaltet zwischen dem Betrieb der einzelnen Nocken um, so daß eine Anpassung an den Arbeitspunkt erfolgt.

Aus DE 100 51 418 A1 ist ein Steuerverfahren zur Vermeidung des Turbolochs bekannt. Hier wird vorgeschlagen, über eine Auslaßregelvorrichtung zur Regelung des Luftstroms aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder rechtzeitig den Luftstrom in den Zylinder zu erhöhen, um ausreichend Leistung an dem Turbolader bereitzustellen.

DE 40 06 950 A1 betrifft ein Regelverfahren zur drehzahlabhängigen, stufenlosen Verstellung der Nockenspreizung. Auch bei diesem Verfahren soll für eine variable Nockenwellenverstellung durch Messung der Ist-Werte eine Regelung auf einen genau vorgegebenen Sollwert erfolgen.

Aus DE 44 08 425 A1 ist ein Verfahren zum Einregeln der Winkellager einer Nockenwelle bekannt, bei der ebenfalls eine Regelung des Nockenwellenverstellmechanismus erfolgt.

DE 39 34 848 A1 betrifft die Verstellung von zwei oder mehr Größen über eine Nockenwellenverstellung. Hierbei wird vorgeschlagen, eine Ventilüberschneidung drehzahl- und lastabhängig vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das beim Übergang zum Vollastbetrieb eine gleichmäßige Drehmomentabgabe zuverlässig und ohne großen Aufwand sicherstellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird festgestellt, ob eine Änderung der Lastenforderung vorliegt, diese Änderung wird vorzugsweise über eine Änderung der Luftmasse für das angeforderte Drehmoment erfasst. Wurde eine erhöhte Lastanforderung festgestellt, so wird abhängig vom Betriebspunkt eine erhöhte Ventilüberschneidung eingestellt. Später, wenn eine Änderung des Betriebspunkts hin zu einer höheren Last bereits eingesetzt hat, wird die Ventilüberschneidung wieder reduziert. Die erhöhte Ventilüberschneidung führt zu einer erhöh ten internen Abgasrückführrate. Mit einer gesteigerten internen Abgasrückführrate wird die Abgasmenge im Zylinder länger gespeichert und der Abgasgegendruck erhöht sich somit. Durch diese zunehmende interne Abgasrückführung steigt bei großer Ventilüberschneidung der Saugrohrdruck an. In diesem Fall kommt es durch die große Ventilüberschneidung zu einem sogenannten „spülen", dass ebenfalls positiv zur Beschleunigung des Turboladers beiträgt. Hat sich der Betriebspunkt nun zu höheren Lasten hin verschoben, wird die Ventilüberschneidung reduziert, so dass die im Zylinder gespeicherte Energie an die Abgasturbine abgegeben wird. Somit verzögert sich anfangs die Turboladerdrehzahl geringfügig im Teillastbereich, jedoch im Übergangsbereich zur Saugrohrvollast erfolgt ein schnelleres Ansprechverhalten des Abgasturboladers, womit das „Turboloch" vermindert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Sollposition für die Nockenwelle abhängig von der Kühlmitteltemperatur ermittelt. Auch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, bei der Berechnung der Sollposition für die Nockenwelle unterschiedliche Betriebszustände zu berücksichtigen. Insbesondere werden Leerlauf, Teillast und Vollast als unterschiedliche Betriebszustände unterschieden. Bei der Bestimmung der Sollposition werden jeweils mehrere Kennfelder berücksichtigt, die jeweils für unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen vorgesehen sind. Der Sollwert wird zwischen den unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen vorzugsweise linear inter- bzw. extrapoliert.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Erreichen einer vorbestimmten Last, insbesondere einer vorbestimmten Drehzahl und/oder einem vorbestimmten Luftmassenstrom die Ventilüberschneidung reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer verstellbaren Nockenwelle mit einem Zylinder,
2 Öffnen und Schließen der Gaswechselventile über dem Drehwinkel der Nockenwelle,
3 Druck vor der Drosselklappe abhängig von der Zeit bei einem Abgasturbolader mit herkömmlicher Sollwertberechnung,
4 Druck vor der Drosselklappe mit erfindungsgemäßer Ventilüberschneidung und
5 Flussdiagramm zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es zeigt 1 in einer schematischen Ansicht eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 10, einem Kolben 12 und einer Pleuelstange 14. Die Pleuelstange 14 ist mit dem Kolben 12 und einer Kurbelwelle 16 verbunden. Die Kurbelwelle 16 ist mit einem ersten Zahnrad 18 versehen, das über eine Kette 20 mit einem zweiten Zahnrad 22 mechanisch gekoppelt ist. Das zweite Zahnrad 22 ist auf der Nockenwelle 24 angeordnet. Die Nockenwelle 24 ist mit Nocken 26, 28 versehen, die die Gaswechselventile 30 und 32 betätigen. Der besseren Übersicht halber sind Ein- und Auslasstrakt, über die der Zylinder mit Luft versorgt wird und die Verbrennungsgase abgeführt werden, und etwaige weitere Zylinder der Brennkraftmaschine nicht dargestellt.
Zwischen zweitem Zahnrad 22 und den Nocken 26, 28 ist eine Nockenwellenstelleinrichtung vorgesehen, welche die Phasenlange der Nocken 26 und 28 relativ zu dem Zahnrad 22 dreht. Mithin wird durch die Nockenwellenstelleinrichtung 34 die Phasenlage der Nocken 26 und 28 relativ zur Kurbelwelle und damit zum Kolben eingestellt.
2 zeigt schematisch die Öffnung von Ein- und Auslassventil gegenüber dem Winkel der Nockenwelle. Das Diagramm bezieht sich auf eine 0°-Stellung TDC. In der durchgezogenen Linie 36 ist der Ventilhub des Ausgangsventils dargestellt. Sobald das Ausgangsventil geschlossen ist, setzt der Ventilhub des Einlassventils 38 ein. Der Abstand zwischen den maximalen Hüben der Gaswechselventile ist mit A gekennzeichnet.
Zur Verdeutlichung ist in dem Beispiel zwischen den Kurven 36 und 38 kein Ventilüberlapp vorgesehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun der Ventilhub des Auslassventils 40 verzögert. Gleichzeitig wird der Ventilhub des Einlassventils 42 vorgezogen. Durch die Verschiebung wird der Abstand zwischen den maximalen Ventilhüben B verringert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht der punktiert dargestellte Ventilüberlapp 44, in dem eine interne Abgasrückführung erfolgt.
3 zeigt schematisch den Verlauf des Drucks vor der Drosselklappe über der Zeit. Die rechte Kurve zeigt den Sollwert für den Ladedruck an, der zu den Zeitpunkten 5 und 25 springt. 3 zeigt wie der Istwert des Drucks bei Verwendung eines Abgasturboladers diesem folgt. Nach einem ersten linearen Druckanstieg entsteht das sogenannte Turboloch 46, bei dem der Druckanstieg und damit das abgegebene Drehmoment deutlich nachlässt. Erst nach der Abflachung 46 steigt der Druck wieder linear an, so dass die entsprechenden Beschleunigungswerte vorliegen.
4 zeigt zusätzlich zu der Kurve 44 den Druckverlauf 48 in der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf das Sprungsignal für den Sollwert des Ladedrucks setzt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druckanstieg 48 später ein. Die Verzögerung 50 rührt daher, dass mit einem Ventilüberlapp zunächst ein Druckanstieg verzögert wird. Nach der Reduzierung des Ventilüberlapps steigt der Druck nahezu linear an, ohne dass sich nicht ein Plateau ausbildet. Darüber hinaus wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Überschwingen 52 der Istwerte deutlich reduziert.
5 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Motorsteuerung 54 liefert Daten, die den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisieren. Diese Daten sind in 5 als Pfeile 56 dargestellt. Ebenfalls liefert die Motorsteu erung 54 die Größe der Luftmasse für das angeforderte Drehmoment 58 (MAF_SP).
In einem ersten Verfahrensschritt 60 wird eine Änderung der Lastanforderung erfasst. In dem Verfahrensschritt 62 wird abhängig von den Betriebsgrößen 56 ein Wert für die erhöhte Ventilüberschneidung ermittelt und eingestellt.
In dem nachfolgenden Verfahrensschritt 64 wird aufgrund weiterer Daten 66 zum Zustand der Brennkraftmaschine festgestellt, ob eine Änderung der Betriebspunkte hin zu höheren Lastwerten erfolgt ist. Hierbei müssen die die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen 66 nicht unbedingt vollständig identisch mit den Größen 56 sein.
Werden in Schritt 46 Betriebspunkte mit höheren Lastwerten festgestellt, so wird über die Ausgangsgröße 68 ein Sollwert für eine geringere Ventilüberschneidung vorgegeben.
Der Sollwert für die Nockenwellenposition wird abhängig von der Kühlmitteltemperatur bestimmt. Hierbei sind für Leerlauf, Teillast und Vollast jeweils unterschiedliche Kennfelder in der Motorsteuerung abgelegt, die abhängig von der Drehzahl (N) und der zur Erreichung eines Drehmoments angeforderten Luftmasse (MAF_TQI) bei zwei unterschiedlichen Werten TCO_1 und TCO_2 ermittelt werden. Die Kennfelder enthalten für die jeweilige Temperatur den Sollwert für die Nockenwellenposition (CAM_SP). Für eine Kühlmitteltemperatur TCO, wird eine Gerade zwischen den Temperaturwerten ermittelt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zusätzlich die Änderung der Pedalstellung (PV_GRD) oder die Änderung der für einen Drehmomentsollwert angeforderten Luftmasse (MAF_TQI_SP_GRD) die aktuellen Sollwerte für die Nockenwellenposition mittels Kennfelder additiv und/oder multiplikativ verändert. Die Veränderung erfolgt dabei vorzugsweise abhängig vom Betriebspunkt, wie beispielsweise dem Ladedruck (PUT) und dem Saugrohrdruck (MAP).

Claims

Verfahren zur gleichmäßigen Drehmomentabgabe einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladung und variabler Nockenwellenverstellung, mit folgenden Verfahrensschritten: – eine Änderung der Lastanforderung wird erfasst, – bei einer erhöhten Lastanforderung wird abhängig vom Betriebspunkt, eine erhöhte Ventilüberschneidung (44) eingestellt, – nach einer Änderung des Betriebspunkts hin zur höheren Lastwerten, wird die Ventilüberschneidung wieder reduziert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Änderung der Lastanforderung die Änderung der Luftmasse für das angeforderte Drehmoment dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilüberschneidung über eine Nockenwellenverstellung (34) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition für die Nockenwelle abhängig von der Kühlmitteltemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition für unterschiedliche Betriebszustände jeweils mit mehreren Kennfeldern ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition für die Nockenwelle jeweils linear aus den Kennfeldern inter- bzw. extrapoliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorbestimmten Last die Ventilüberschneidung reduziert wird.