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Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges
einer Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges im Betrieb einer mit
einem elektronischen Betriebssteuergerät versehenen Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen mit Einlassventilen, deren
Ventile durch einen Verstellmechanismus beispielsweise zwischen
einem kleinen und großen Wert,
also diskret, verstellbar sind, werden in Kraftfahrzeugen immer
häufiger
eingesetzt, siehe z. B.
DE 195
20 117 und MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 11,
S. 730 bis 743. Da sich bei einer Umschaltung des Ventilhubes die
Luftmasse in den Zylindern wie auch die Menge des eingespritzten
Kraftstoffes sprunghaft ändern,
kommt es zu einer entsprechend sprunghaften Änderung des Drehmomentes, falls dies
nicht durch einen Regeleingriff verhindert wird. Eine Möglichkeit
zum Verhindern eines derartigen Drehmomentensprungs besteht darin,
die Zylinder unmittelbar nach einer Ventilhubumschaltung beispielsweise
von einem kleineren auf einen größeren Wert
mit einem verringerten Wirkungsgrad, etwa durch eine Verstellung
des Zündwinkels,
zu betreiben, um auf diese Weise den bei der Ventilhubumschaltung
entstehenden Drehmomentenüberschuss abzubauen.
Eine derartige Umschaltstrategie müsste jedoch durch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch
erkauft werden.
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Ein ähnliches Problem tritt bei
einer Umschaltung zwischen einem stöchiometrischen Betrieb und
mageren Betrieb einer Brennkraftmaschine auf. Da zur Vermeidung
erhöhter
Schadstoffemissionen ein allmählicher Übergang
zwischen diesen beiden Betriebsarten nicht in Frage kommt, werden
nach einer allmählichen Änderung
des Luftmassenstromes durch eine entsprechende Stellung des Drosselventils
die eingespritzte Kraftstoffmenge und der Zündwinkel schlagartig geändert, um von
der einen Betriebsart auf die andere Betriebsart umzuschalten. Auch
dies würde
zu einem entsprechenden Drehmomentensprung führen, wenn dies nicht durch
einen Regeleingriff in Form einer Wirkungsgradverringerung verhindert
würde,
was wiederum eine Erhöhung des
Kunststoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen zur Folge hätte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern eines entsprechenden
Umschaltvorganges im Betrieb der Brennkraftmaschine anzugeben, bei
dem ein Drehmomentensprung auf möglichst
verbrauchsgünstige
und schadstoffarme Art und Weise vermieden wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser
Aufgabe ist im Patentanspruch 1 definiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Einrichtung zur Impulsaufladung der Zylinder der Brennkraftmaschine
dazu verwendet, einen durch den Umschaltvorgang hervorgerufenen
Drehmomentensprung durch eine entsprechende gegensinnige Änderung
eines durch Impulsaufladung erzeugten Drehmomentes zu vermeiden
oder zumindest zu verringern.
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Einrichtungen zur Impulsaufladung,
auch MIC (Meta Impuls Charger) genannt, sind bekannt, vgl. z. B.
DE 37 37 824 A1 und
DE 37 37 826 A1 .
Diese Einrichtungen bestehen aus einem im Ansaugtrakt angeordneten
zusätzlichen
Ventil, dem sogenannten Lufttaktventil, das bei jedem Saughub den Ansaugquerschnitt
des Ansaugtraktes kurzzeitig verschließt und wieder freigibt. Dies
führt kurzfristig
zu einem erhöhten
Unterdruck im Zylinder, der beim Öffnen des Lufttaktventils für eine Druckwelle
sorgt, die eine entsprechende „Impulsaufladung" des Zylinders bewirkt.
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Die Impulsaufladung hat eine sehr
hohe Dynamik, d. h., sie spricht augenblicklich auf einen Regeleingriff
an, und sie erlaubt eine praktisch stufenlose Änderung der angesaugten Luftmasse
und des hierdurch zur Verfügung
gestellten Drehmomentes. Dies macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze,
indem es die Impulsaufladung vor dem Umschaltvorgang zu- oder abschaltet
und während
des Umschaltvorganges schlagartig wieder in den ursprünglichen
Zustand zurückstellt.
Auf diese Weise lässt
sich eine Wirkungsgradverschlechterung durch Ändern des Zündwinkels und/oder Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
während
des Umschaltvorganges vermeiden oder zumindest verringern.
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Bei dem Umschaltvorgang kann es sich
um die Umschaltung des Ventilhubes diskret verstellbarer Einlassventile
oder um die Umschaltung zwischen stöchiometrischem und magerem
Betrieb der Brennkraftmaschine handeln.
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Wird beispielsweise der Ventilhub
der Einlassventile von einem kleinen Wert auf einen großen Wert
umgeschaltet, so wird vor der Ventilhubumschaltung ein durch Impulsaufladung
erzeugtes Drehmoment erhöht,
indem die Einrichtung zur Impulsaufladung zugeschaltet und dadurch
ein Teil des Luftmassenstroms durch die Impulsaufladung bereitgestellt
wird. Gleichzeitig mit der Ventilhubumschaltung wird dann die Einrichtung
zur Impulsaufladung abgeschaltet, so dass das durch die Impulsaufladung bereitgestellte
Drehmoment wegfällt.
Dies kompensiert oder zumindest mindert die durch die Ventilhubumschaltung
hervorgerufene Erhöhung
des Luftmassenstroms bzw. Drehmomentes.
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Wird der Ventilhub der Einlassventile
von einem großen
auf einen kleinen Wert umgeschaltet, so wird vor der Ventilhubumschaltung
ein durch Impulsaufladung erzeugtes Drehmoment verringert und gleichzeitig
mit der Ventilhubumschaltung wieder erhöht.
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In analoger Weise wird bei der Umschaltung zwischen
stöchiometrischem
und magerem Betrieb der Brennkraftmaschine die Einrichtung zur Impulsaufladung
entsprechend gesteuert, um einen durch die Umschaltung hervorgerufenen
Drehmomentensprung durch eine entsprechende gegensinnige Änderung
des durch die Impulsaufladung bereitgestellten Drehmomentes zu kompensieren.
Der Begriff „magerer
Betrieb" ist hierbei
in seiner allgemeinsten Form zu verstehen, d.h. er umfasst einen
homogen mageren Betrieb, einen geschichtet mageren Betrieb wie auch
einen sogenannten HCCI-Betrieb. Mit HCCI (homogeneous charge compression
ignition) ist ein Betriebsmodus zu verstehen, bei dem die Entzündung des
Luft/Kraftstoffgemischs nicht durch Fremdzündung, sondern durch kontrollierte
Selbstzündung erfolgt,
siehe z.B.
US 6 260 520 ,
US 6 390 054 ,
DE 19927479 und WO 98/10179.
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Da sich mit Hilfe der Impulsaufladung
das Drehmoment bei sonst unveränderten
Bedingungen um bis ca. 50% stufenlos und praktisch verzögerungsfrei
erhöhen
lässt,
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
einen drehmomentneutralen Umschaltvorgang, bei dem eine Verstellung
des Zündwinkels
und/oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zum Vermeiden eines
Drehmomentensprunges vollständig
oder zumindest teilweise vermieden wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines
Umschaltvorganges zunächst
für nur
einen ersten Teil der Zylinder und verzögert hierzu für einen
zweiten Teil der Zylinder durchgeführt wird. Dies ist bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren problemlos
möglich,
da die Impulsaufladung zylinderselektiv arbeitet. Der Vorteil einer
stufenweisen Durchführung
des erfindungsgemäßen Umsteuerverfahrens
besteht darin, dass bei den Umschaltvorgängen jeweils nur eine kleinere
Drehmomentänderung entsteht,
die durch einen entsprechenden Regeleingriff einfacher und verbrauchsgünstiger
kompensiert werden kann.
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Weitere Ausgestaltungen und Modifikationen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Steuern der Umschaltung des Ventilhubes der Einlassventile;
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3 ein
Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Umschalten der Brennkraftmaschine von stöchiometrischem
Betrieb auf magereren Betrieb.
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Die 1 zeigt
in schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 1 vom Otto-Typ
mit mehreren Zylindern 2 (von denen nur einer angedeutet
ist), einem Ansaugtrakt 3, einem Abgastrakt 4,
einem Einlassventil 5, einem (nicht dargestellten) Auslassventil,
einem Aktuator mit einem Verstellmechanismus 6 zum diskreten
Verstellen des Ventilhubes des Einlassventils 5, einem
Einspritzventil 7 zum Einspritzen von Kraftstoff, einer
Zündkerze 8 mit
einem Zündwinkel-Verstellmechanismus 9,
und einem im Ansaugtrakt 3 angeordneten Drosselventil 10 in
Form einer Drosselklappe.
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Ferner ist im Ansaugtrakt
3 zwischen
dem Drosselventil
10 und dem Einlassventil
5 eine
Einrichtung
11 zur Impulsladung (MIC) in Form eines sogenannten
Lufttaktventiles angeordnet. Wie bereits eingangs erläutert, kann
das Lufttaktventil der Einrichtung
11 während eines Ansaugtaktes (also
bei geöffnetem
Einlassventil
5) kurzfristig geschlossen und wieder geöffnet werden,
um durch den hierdurch hervorgerufenen Druckimpuls eine Impulsaufladung des
Zylinders
2 zu erzeugen. Wegen weiterer Einzelheiten sei
auf die eingangs genannten Druckschriften
DE 3737824 A1 und
DE 37 37826 A1 verwiesen.
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Weitere für den Betrieb der Brennkraftmaschine
erforderliche, dem Fachmann bekannte Einrichtungen sind nicht dargestellt, da
sie für
ein Verständnis
der vorliegenden Erfindung nicht benötigt werden.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird von
einem elektronischen Betriebssteuergerät 12 geregelt. Wie
durch gestrichelte Linien angedeutet, ist das Betriebssteuergerät 12 mit
dem Einlassventil bzw. dem Verstellmechanismus 6, dem Einspritzventil 7,
der Zündkerze 8,
dem Zündwinkel-Verstellmechanismus 9,
dem Drosselventil 10 und der Einrichtung 11 zur
Impulsaufladung verbunden, um deren Betrieb in Abhängigkeit
von Steuersignalen zu regeln. Da derartige Regelverfahren dem Fachmann grundsätzlich bekannt
sind, wird hierauf nur insoweit eingegangen, als es für ein Verständnis des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Steuern von Umschaltvorgängen
erforderlich ist.
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Die Erfindung wird nun zunächst anhand
eines Verfahrens zum Umschalten des Ventilhubes der Einlassventile 5 durch
den Verstellmechanismus 6 zwischen einem kleinen und großen Ventilhub
beschrieben. Hierbei sei auf das Flussdiagramm der 2 Bezug genommen, das die Schritte zum
Umschalten von einem kleinen auf einen großen Ventilhub der Einlassventile 5 darstellt.
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Der große Ventilhub der Einlassventile 5 führt beispielsweise
zu 50% mehr Füllung
in den Zylindern 2 und somit zu einer entsprechenden Erhöhung des
Drehmomentes von 50%. Es sei angenommen, dass vor dem Umschaltvorgang
das von der Brennkraftmaschine 1 an ihre Kupplung (nicht
gezeigt) abzugebende Soll-Drehmoment 100 Nm beträgt. Erfolgt die Ventilhubverstellung
ohne weiteren Regeleingriff, so ergäbe sich bei großem Ventilhub ein
Kupplungsmoment von 150 Nm. Dieser Drehmomentensprung wird durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wie folgt vermieden.
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Wenn das Programm feststellt, dass
vom kleinen auf den großen
Ventilhub umgeschaltet werden soll (Schritt 13), so wird zu nächst die
Einrichtung 11 zur Impulsaufladung (MIC) aktiviert und
das Drosselventil 10 in Schließrichtung verstellt (Schritt
14). Zweckmäßigerweise
wird das Drosselventil 10 vom Betriebssteuergerät 12 auf
einen Öffnungsgrad
(Zielwert) eingestellt, bei dem sich nach dem Umschaltvorgang, wenn
der Ventilhub für
alle Zylinder 2 auf den großen Wert verstellt worden ist,
ein Drehmoment von 100 Nm ergibt. Die Füllung der Zylinder 2 und
entsprechend das Drehmoment werden somit nur noch zu einem Teil
(z.B. 66,7 Nm) von dem Drosselventil 10 bereitgestellt,
während
der verbleibende Teil (z.B. 33,3 Nm) von der Einrichtung 11 zur
Impulsaufladung (MIC) geliefert wird.
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Im Flussdiagramm der 2 ist angenommen, dass der Zielwert der
Drosselklappe gleich dem Minimalwert der Drosselklappe ist. Sobald
der Minimalwert der Drosselklappe erreicht ist (Schritt 15) werden
die Einlassventile 5 auf den großen Ventilhub umgeschaltet.
Gleichzeitig wird die Einrichtung 11 zur Impulsaufladung
abgeschaltet. Beide Vorgänge erfolgen
synchron und ohne Zeitverzögerung.
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Der durch den großen Ventilhub zusätzlich bereitgestellte
Luftmassenstrom führt,
wie bereits erwähnt,
zu einer Erhöhung
des Drehmomentes um 50%, d. h., bei dem oben angegebenen Zahlenbeispiel
von 66,7 Nm auf 100 Nm. Der Wegfall des durch die Impulsaufladung
bereitgestellten Drehmomentes von 33,3 Nm gleicht somit den durch
die Ventilhubverstellung bewirkten Anstieg des Drehmomentes vollständig aus,
so dass sich das Drehmoment bei der Ventilhubumschaltung nicht ändert.
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Falls die durch die Ventilhubumschaltung
bewirkte Drehmomentänderung
größer ist,
als sie durch die Impulsaufladung kompensiert werden kann, so lässt sich
der verbleibende Drehmomentensprung durch eine Verschlechterung
des Wirkungsgrades der Verbrennung in den Zylindern kompensieren. Dies
wird beispielsweise durch eine Verstellung des Zündwinkels von einem Basiszündwinkel
aus in Richtung auf einen späteren
Zündzeit punkt
(einen sogenannten Zündwinkelrückzug) oder
durch eine Verstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erreicht.
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Ist im Schritt 15 der Minimalwert
der Drosselklappe noch nicht erreicht, so wird in einem Schritt
17 gefragt, ob die Umschaltung sofort erfolgen muss. Ist dies nicht
der Fall, so kehrt das Programm zu einer Stelle zwischen den Schritten
14 und 15 zurück.
Falls die Umschaltung jedoch sofort erfolgen muss, geht das Programm
zu dem Schritt 16 weiter.
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Es versteht sich, dass die Umschaltung
vom großen
Ventilhub auf den kleinen Ventilhub in analoger Weise abläuft, wobei
die Einrichtung 11 zur Impulsaufladung gleichzeitig mit
der Ventilhubverstellung zugeschaltet wird, um den durch die Ventilhubverstellung
verursachten Drehmomentenabfall durch eine entsprechende Impulsaufladung
zu kompensieren.
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Es wird nun eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Umschalten vom stöchiometrischen
auf mageren Betrieb anhand des Flussdiagramms der 3 erläutert.
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Wenn vom stöchiometrischen auf mageren Betrieb
umgeschaltet werden soll, so wird üblicherweise zunächst das
Drosselventil 10 in Öffnungsrichtung
verstellt, um den für
den mageren Betrieb erforderlichen zusätzlichen Luftmassenstrom zur
Verfügung
zu stellen. Die Umschaltung auf den mageren Betrieb erfolgt dann
schlagartig, indem die Zufuhr des Kraftstoffes und der Zündwinkel
entsprechend verstellt werden. Der sich hierdurch ergebende Drehmomentensprung
wird erfindungsgemäß im Prinzip in
der gleichen Weise kompensiert oder zumindest verringert, wie dies
in Verbindung mit der Ventilhubverstellung beschrieben wurde.
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Sobald das Programm feststellt, dass
vom stöchiometrischen
auf den mageren Betrieb umgeschaltet werden soll (Schritt 17), wird
die Einrichtung 11 zur Impulsaufladung, sofern sie zugeschaltet
war, abgeschaltet und das Drosselventil 10 in Öffnungsrichtung
verstellt (Schritt 18). Zweckmäßigerweise wird
das Drosselventil 10 hierbei auf einen Öffnungsgrad (Zielwert) einstellt,
der für
einen optimalen mageren Betrieb erforderlich ist.
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Wenn das Drosselventil 10 den
Zielwert erreicht hat (Schritt 19), so wird auf den mageren Betrieb
umgeschaltet, indem das Einspritzventil 7 und die Zündung entsprechend
verstellt werden. Gleichzeitig hierzu wird die Einrichtung 7 zur
Impulsaufladung (MIC) aktiviert bzw. zugeschaltet (Schritt 20). Hierdurch
wird der durch die Umschaltung auf den mageren Betrieb bedingte
Drehmomentenabfall durch die Impulsaufladung und das hierdurch erzeugte
zusätzliche
Drehmoment kompensiert.
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Auch in diesem Fall kann ein zusätzlicher Drehmomentenausgleich
durch eine Verstellung des Zündwinkels
oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgenommen
werden, wenn die zur Verfügung
stehende Impulsaufladung nicht zu einem vollständigen Ausgleich des Drehmomentensprungs
ausreicht.
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Da die Impulsaufladung zylinderspezifisch arbeitet
und somit auch das erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern der Ventilhubumschaltung bzw. Betriebsartumschaltung
ebenfalls zylinderspezifisch durchgeführt werden kann, lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern eines Umschaltvorganges zunächst nur für einen Teil der Zylinder und zeitverzögert dazu
für einen
zweiten Teil der Zylinder durchführen.
Der Umschaltvorgang wird somit gewissermaßen in zwei oder mehr Umschaltvorgänge aufgeteilt,
so dass bei jedem Umschaltvorgang nur eine kleinere Drehmomentänderung
durch eine entsprechende Änderung
der Impulsaufladung ausgeglichen werden muss.