DE10258803B4

DE10258803B4 - Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10258803B4
Application number: DE10258803A
Authority: DE
Inventors: Frank Weiss; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: DE10258803A1; WO2004055345A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges im Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), für die eine Impulsaufladung ihrer Zylinder (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umschaltvorgang ein durch Impulsaufladung erzeugter Anteil des Drehmomentes um einen vorgegebenen Betrag geändert und der übrige Teil des Drehmomentes gegensinnig geändert wird, um die Änderung des durch Impulsaufladung erzeugten Anteils des Drehmomentes weitestgehend zu kompensieren, und dass während des Umschaltvorganges die Änderung des durch Impulsaufladung erzeugten Anteils des Drehmomentes sprunghaft zurückgenommen wird, so dass ein durch den Umschaltvorgang anderenfalls erzeugter Drehmomentensprung vermieden oder zumindest reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges im Betrieb einer Brennkraftmaschine.
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 A1 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.
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 umzu schalten. 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 Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen zur Folge hätte.
Aus der DE 44 18 112 A1 und der DE 44 16 611 A1 ist es bereits bekannt geworden, einen Drehmomentensprung, der beim Umschalten zwischen stöchiometrischem und magerem Betrieb entstehen würde, durch eine gegensinnige Änderung der Zylinderfüllung zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren. Hierbei wird so vorgegangen, dass gleichzeitig mit der Umschaltung zwischen stöchiometrisch und mager die Zylinderfüllung beispielsweise durch eine Verstellung der Drosselklappe so geändert wird, dass die Füllungsänderung der durch den Umschaltvorgang bedingten Drehmomentänderung entgegenwirkt. Da allerdings eine Änderung zwischen stöchiometrisch und mager (Änderung der Kraftstoffeinspritzung) schlagartig erfolgt, eine Änderung der Zylinderfüllung durch eine Verstellung der Drosselklappe sich jedoch nur verzögert auswirkt, lässt sich mit einem derartigen Verfahren ein Drehmomentensprung nur unzureichend vermeiden.

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.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 definiert.

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.

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 kurzzeitig zu einem erhöhten Unterdruck im Zylinder, der beim Öffnen des Lufttaktventils für eine Druckwelle sorgt, die eine entsprechende „Impulsaufladung" des Zylinders bewirkt.

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.

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.

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 Luftmassen stroms 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.

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.

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 B1 , US 6 390 054 B1 , DE 19927479 A1 und WO 98/10179 A2.

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 Drehmo mentensprunges vollständig oder zumindest teilweise vermieden wird.

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.

Weitere Ausgestaltungen und Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;

2 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Steuern der Umschaltung des Ventilhubes der Einlassventile;

3 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Umschalten der Brennkraftmaschine von stöchiometrischem Betrieb auf magereren Betrieb.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Es wird nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Umschalten vom stöchiometrischen auf mageren Betrieb anhand des Flussdiagramms der 3 erläutert.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Umschaltvorganges im Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), für die eine Impulsaufladung ihrer Zylinder (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umschaltvorgang ein durch Impulsaufladung erzeugter Anteil des Drehmomentes um einen vorgegebenen Betrag geändert und der übrige Teil des Drehmomentes gegensinnig geändert wird, um die Änderung des durch Impulsaufladung erzeugten Anteils des Drehmomentes weitestgehend zu kompensieren, und dass während des Umschaltvorganges die Änderung des durch Impulsaufladung erzeugten Anteils des Drehmomentes sprunghaft zurückgenommen wird, so dass ein durch den Umschaltvorgang anderenfalls erzeugter Drehmomentensprung vermieden oder zumindest reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Umschaltvorgang um eine Ventilhubumschaltung diskret verstellbarer Einlassventile der Brennkraftmaschine handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ventilhubumschaltung der Einlassventile von einem kleinen Wert auf einen großen Wert vor der Ventilhubumschaltung der durch die Impulsaufladung erzeugte Anteil des Drehmomentes erhöht und gleichzeitig mit der Ventilhubumschaltung wieder verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ventilhubumschaltung der Einlassventile von einem großen Wert auf einen kleinen Wert vor der Ventilhubumschaltung der durch die Impulsaufladung erzeugte Anteil des Drehmomentes verringert und gleichzeitig mit der Ventilhubumschaltung wieder erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Umschaltvorgang um eine Umschaltung zwischen einem stöchiometrischen und einem mageren Betrieb der Brennkraftmaschine handelt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umschaltung von dem stöchiometrischen Betrieb zu dem mageren Betrieb vor dem Umschaltvorgang der durch die Impulsaufladung erzeugte Anteil des Drehmomentes verringert und gleichzeitig mit dem Umschaltvorgang wieder erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umschaltung von dem mageren Betrieb zu dem stöchiometrischen Betrieb vor dem Umschaltvorgang der durch die Impulsaufladung erzeugte Anteil des Drehmomentes vergrößert und gleichzeitig mit dem Umschaltvorgang wieder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zunächst für einen ersten Teil der Zylinder und verzögert hierzu für einen zweiten Teil der Zylinder durchgeführt wird.