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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Motormanagement-System für
ein Kraftfahrzeug, bei dem der Drehwinkel einer Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel einer Kurbelwelle über
ein Steuersystem verstellbar ist. Sie bezieht sich weiter auf ein
Verfahren zur Einstellung des Drehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugs.
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Bei Brennkraftmaschinen oder Kraftfahrzeugmotoren
treibt die Kurbelwelle über
einen Primärantrieb
eine oder auch mehrere Nockenwellen an. Dabei ist an der jeweiligen
Nockenwelle üblicherweise
ein Nockenwellenrad befestigt, über
das der Primärantrieb
die Nockenwelle antreibt, und das dementsprechend hinsichtlich seiner
Ausgestaltung an den Primärantrieb
angepasst ist. In der Regel erfolgt dabei eine Übersetzung des Drehwinkels
der Kurbelwelle, wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel
in 360° Nockenwellendrehwinkel
umgesetzt werden. Zur Gewährleistung
eines präzisen
Ablaufs des Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine und zur Einhaltung
der für
eine exakte Verbrennung notwendigen Steuerzeiten sind Kurbelwelle,
Primärantrieb
und Nockenwelle dabei üblicherweise
mit sehr geringen Toleranzen gefertigt.
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Es kann jedoch vorteilhaft sein,
eine last- und/oder drehzahlabhängige
Anpassung der Steuerzeiten der Ventile über eine gezielte Beeinflussung des
festen Verhältnisses
zwischen der Kurbelwelle und den jeweiligen Nockenwellen vorzusehen.
Um dementsprechend die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle vor- oder
nachlaufen zu lassen, kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein,
welche die Nockenwelle relativ gegenüber dem Nockenwellenrad und
somit gegenüber
der Kurbelwelle verdreht. Durch eine geeignete Einstellung des Drehwinkels der
Nocken welle gegenüber
dem Drehwinkel der Kurbelwelle, entsprechend einer geeigneten Phasendifferenz
zwischen den Wellen, können
die Brennräume
der Brennkraftmaschine vergleichsweise früher oder später geöffnet oder geschlossen werden,
so dass durch die Vorgabe geeigneter Phasendifferenzen eine besonders
hohe Laufkultur der Brennkraftmaschine Kraftstoffeinsparungen und
die Reduktion der Abgasemissionen ermöglicht werden und eine Leistungssteigerung
erreicht wird.
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Steuersysteme zur Einstellung des
Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel der Kurbelwelle
sind üblicherweise
hydraulisch aufgebaut. Das hydraulische System kann dabei von einem
Motormanagement-System angesteuert sein, in dem die Vorgaben für eine Einstellung
des Drehwinkels der Nockenwelle relativ zum Drehwinkel der Kurbelwelle
geeignet implementiert sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Motormanagement-System der oben genannten Art anzugeben, mit dem
eine hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Leistung und Abgasemissionen
besonders günstige
Motorcharakteristik erreichbar ist. Weiterhin soll ein dazu besonders
geeignetes Verfahren zur Einstellung des Drehwinkels der Nockenwelle
gegenüber
dem Drehwinkel einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugs angegeben
werden.
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Bezüglich des Motormanagement-Systems wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem dem
zur Einstellung des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel der Kurbelwelle vorgesehenen Steuersystem ein elektromotorischer
Aktor zugeordnet ist, wobei eine Reglereinheit die Stellwerte für den elektromotorischen
Aktor in Abhängigkeit von
einer Anzahl von aktuell erfassten Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs
erzeugt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass eine hinsichtlich der genannten Kriterien besonders günstige Mo torcharakteristik
erreichbar ist, indem der die Verbrennungseigenschaften beeinflussende
Phasenwinkel zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle nicht fest, sondern
vielmehr flexibel einstellbar gehalten ist. Als besonders günstig für eine derartige
flexible Einstellung wird vorliegend – abweichend von hydraulischen
Systemen – eine
elektromotorische Ansteuerung des Phasenwinkel-Stellsystems angesehen.
Für eine
derartige elektromotorische Ansteuerung ist eine Steuereinrichtung
zum Verstellen des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel der Kurbelwelle besonders geeignet, wie sie aus der
DE 100 38 354 A1 bekannt
ist, bei der zur Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem
Drehwinkel der Kurbelwelle ein zwischen der Nockenwelle und der
Kurbelwelle angeordnetes Taumelscheibengetriebe vorgesehen ist. Die
Offenbarung der
DE
100 38 354 A1 wird vollumfänglich miteinbezogen („Incorporation
by reference").
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Die durch die elektromotorische Ansteuerung
des Phasenwinkel-Stellsystems
erreichbaren Vorteile, nämlich
vergleichsweise große
Stellbereiche sowie besonders kurze Stellzeiten, können zur Verbesserung
der Kraftstoff- und Emissionseigenschaften des Kraftfahrzeugmotors
in besonders günstiger
Weise genutzt werden, indem das Phasenwinkel-Stellsystem direkt
mit dem Motormanagement-System gekoppelt wird, so dass unter Rückgriff auf
die im Motormanagement-System ohnehin vorliegende Vielzahl von aktuell
erfassten Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs eine situations-
und bedarfsgerechte Einstellung einer für den aktuellen Betriebszustand
des Fahrzeugs besonders günstigen Phasendifferenz
zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ermöglicht ist. Zu diesem Zweck
ist vorgesehen, dass eine Reglereinheit des Motormanagement-Systems
in Abhängigkeit
von dort verfügbaren aktuell
erfassten Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs einen geeigneten
Stellwert für
den elektromotorischen Aktor des Phasenwinkel-Stellsystems bereitstellt.
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Maßgeblich für die innere Abgasrückführung ist
dabei die sogenannte Ventilüberschneidung,
die dasjenige Zeitfenster angibt, in dem während eines Umdrehungszyklus
der Nockenwelle sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile
gemeinsam geöffnet
sind. Vorteilhafterweise wird im Teillastantrieb die Phasendifferenz
zwischen Nocken- und Kurbelwelle über entsprechende Stellwerte
derart eingestellt, dass der Schwerpunkt dieser Ventilüberschneidung eine
im Vergleich zum Vollastbetrieb spätere zeitliche Lage einnimmt.
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Vorteilhafterweise wird über das
Phasenwinkel-Stellsystem im Teillastbetrieb des Kraftfahrzeugmotors
eine vergleichsweise günstige
innere Abgasrückführung vorgegeben.
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Bei einer Auslegung des Kraftfahrzeugmotors
mit einer Mehrzahl von Nockenwellen, beispielsweise als so genannter
DOHC-Motor („Double
Overhead Camshaft"),
kann eine erste Nockenwelle als Einlass-Nockenwelle und eine zweite
Nockenwelle als Auslass-Nockenwelle vorgesehen sein. Bei einem derartigen
System kann es je nach Ansteuerung der jeweiligen Ventile über die
zugeordneten Nockenwellen zu Zuständen kommen, bei denen sowohl
die Einlass- als auch die Auslassventile geöffnet sind. Bei einer derartigen
Ventilstellung kann in der Art einer inneren Abgasrückführung verbranntes Brenngas
mit einströmendem
frischen Brenngas vermischt werden, was je nach relativen Gasanteilen eine
zusätzliche
Abgasverbrennung mit entsprechend niedriger Abgasemission, einen
geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und verbesserte Stoffwerte
zur Folge hat.
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Entsprechend dem gewünschten
Lastzustand des Kraftfahrzeugmotors kann es somit wünschenswert
sein, mehr oder weniger einer derartigen inneren Abgasrückführung vorzugeben.
Dies kann eingestellt werden über
die so genannte Ventilüberschneidung,
die im Wesentlichen innerhalb einer vollständigen Umdrehungsphase der
beiden Nockenwellen dasjenige Zeitfenster angibt, in dem die von beiden
Nockenwellen angetriebenen Ventile ge meinsam geöffnet sind. Durch die elektromotorische
Ansteuerung der Phasendifferenz-Stellsysteme der Nockenwellen sind
vergleichsweise große
Phasenverstellwinkel erreichbar, so dass eine entsprechend hohe
Flexibilität
bei der gezielten Anstellung der einzelnen Nockenwellen erreichbar
ist.
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Dies wird vorliegend besonders vorteilhaft genutzt,
um durch eine geeignete Anstellung der Nockenwellen im Teillastbetrieb
eine vergleichsweise große
Ventilüberschneidung
und somit eine Verringerung der Abgasemissionen und des spezifischen Kraftstoffverbrauchs
zu erreichen. Dazu führt
die Reglereinheit des Motormanagement-Systems vorteilhafterweise
den elektromotorischen Aktoren der Nockenwellen im Teillastbereich
Stellwerte zu, die einer vergleichsweise geringen Phasendifferenz
zwischen der ersten und der zweiten Nockenwelle und somit einer
vergleichsweise großen
Ventilüberschneidung
entsprechen und alternativ oder zusätzlich die relative zeitliche
Lage des Schwerpunkts der Ventilüberschneidung
zur Kurbelwelle optimieren und insbesondere auf einen vergleichsweise
späten Zeitpunkt
einstellen.
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Andererseits kann es im Leerlaufbetrieb
des Kraftfahrzeugmotors wünschenswert
sein, die innere Abgasrückführung auf
nahezu Null zurückzuführen, um
somit bei den vergleichsweise niedrigen Leerlaufdrehzahlen eine
hohe Laufruhe und Laufzuverlässigkeit
des Motors zu gewährleisten.
Dementsprechend ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung das
Motormanagement-System derart ausgestaltet, dass die Reglereinheit
den elektromotorischen Aktoren im Leerlaufbetrieb des Kraftfahrzeugmotors
Stellwerte zuführt,
die einer vergleichsweise kleinen Ventilüberschneidung zwischen der
ersten und der zweiten Nockenwelle und/oder einer im Vergleich zum
Teillastbetrieb früheren
Lage des Schwerpunkts der Ventilüberschneidung
entsprechen.
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Dabei werden vorliegend auch gezielt
die durch die elektromotorischen Aktoren erreichbaren vergleichsweise
hohen Ver stellgeschwindigkeiten des Phasenwinkel-Stellsystems genutzt..
Aufgrund dieser hohen Verstellgeschwindigkeiten kann auch bei Transientenänderungen
des Motorbetriebspunktes, beispielsweise bei abrupter Laständerung
vom Teillastbetrieb in den Leerlaufbetrieb, immer und aktuell ein
für den
jeweiligen Betriebspunkt besonders günstiger Phasen-Verstellwinkel,
insbesondere zwischen den Nockenwellen, eingestellt werden. Gerade
bei vergleichsweise schnellen Lastwechseln von höherer bis mittlerer Last mit
hoher Ventilüberschneidung
und großer
innerer Abgasrückführung zu
geringer bis Null-Last mit kleiner Ventilüberschneidung und kleiner innerer
Abgasrückführung, beispielsweise
in Antriebssträngen
mit Automatikgetrieben, ist das Motormanagement-System somit besonders günstig einsetzbar.
Dadurch kann das Motormanagement-System insbesondere auch mit Kennfeldern nahe
am theoretischen Optimum betrieben werden, ohne dass aufgrund betrieblicher
Erfordernisse allzu sehr vom theoretischen Optimum abgewichen werden
müsste.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
ist das Motormanagement-System dafür ausgelegt, bei einem Startvorgang
des Motors mittels Spät-Verstellung
der Steuerzeit „Einlass-Schließt" eine Dekompression
zu ermöglichen.
Dadurch können
die notwendige Leistung und die notwendige Zeit für den Motorstart
verringert werden, so dass der Einsatz vergleichsweise kleiner Startereinheiten
ermöglicht
ist. Hierbei wird insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass
bei der Verwendung einer elektromotorischen Ansteuerung für das Phasenwinkel-Stellsystem
eine Phasenwinkel-Einstellung – anders
als bei hydraulischen Systemen – unabhängig vom
Motoröldruck
und somit beim Start bereits frühzeitig
vorgenommen werden kann. Durch die damit erreichbare Beeinflussung
der Phasenverstellung bereits während
des Startvorgangs können
u. a. auch die Rohemissionen und der Kraftstoffverbrauch während des Startvorgangs
günstig
beeinflusst werden. Zu diesen Zwecken ist die Reglereinheit vorteilhafterweise
dazu ausgelegt, bei einem Startvorgang des Motors dem elektromotorischen
Aktor ei nen Stellwert zuzuführen, der
einer vergleichsweise späten
Einlass-Steuerzeit entspricht.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird
die oben genannte Aufgabe gelöst,
indem die Einstellung der Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und
der Nockenwelle über
einen elektromotorischen Aktor vorgenommen wird, wobei dem elektromotorischen
Aktor in Abhängigkeit
von aktuell erfassten Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs erzeugte
Stellwerte zugeführt
werden. Mit anderen Worten: Bei der Ansteuerung des elektromotorischen
Aktors werden aktuell erfasste Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs
bei der Erzeugung von Stellwerten für den elektromotorischen Aktor
genutzt. Dabei können
insbesondere Kennwerte über
den aktuellen Last- und Drehzahlzustand des Fahrzeugmotors, über die
aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung
als Betriebsparameter berücksichtigt
werden.
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Im Teillastbetrieb des Kraftfahrzeugmotors wird
dabei vorzugsweise eine einem vergleichsweise späten Zündzeitpunkt entsprechende Phasendifferenz
eingestellt. Bei Kraftfahrzeugmotoren mit mehreren Nockenwellen
werden vorteilhafterweise im Teillastbetrieb des Kraftfahrzeugmotors
die elektromotorischen Aktoren derart angesteuert, dass eine im
Vergleich zum Volllastbetrieb des Kraftfahrzeugmotors größere Ventilüberschneidung
zwischen der ersten und der zweiten Nockenwelle eingestellt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
werden im Leerlaufbetrieb des Kraftfahrzeugmotors die elektromotorischen
Aktoren derart angesteuert, dass eine im Vergleich zum Teillastbetrieb
des Kraftfahrzeugmotors kleinere Ventilüberschneidung eingestellt wird.
Weiterhin wird vorteilhafterweise bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugmotors
eine einer vergleichsweise späten
Einlass-Steuerzeit
entsprechende Phasenlage eingestellt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass durch die betriebspunktabhängige Einstellung
der Phasendifferenz zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle über einen
Regeleingriff des Motormanagement-Systems auf den elektromotorischen
Aktor in kurzer Reaktionszeit und somit besonders gut an den aktuellen Betriebszustand
angepasst eine günstige
Verbrennungscharakteristik des Kraftfahrzeugmotors bereitgestellt
werden kann. Dementsprechend kann das Brennverhalten des Kraftfahrzeugmotors
im Hinblick auf geringe Abgasemissionen und/oder geringen Kraftstoffverbrauch
besonders günstig
eingestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird anhand einer Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigt die Figur schematisch ein Motormanagement-System.
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Das Motormanagement-System 1 gemäß der Figur
umfasst eine Anzahl von Reglermodulen oder Reglereinheiten 2,
von denen in der Figur lediglich eine dargestellt ist. Diese Reglereinheit 2 empfängt von
einer Vielzahl von im Kraftfahrzeug angeordneten Sensoren – wie durch
die Pfeile 4 angedeutet – aktuell erfasste Betriebsparameter
B, die in Gruppen oder in ihrer Gesamtheit Rückschlüsse auf den aktuellen Betriebszustand
des Kraftfahrzeugs uns seines Verbrennungsmotors zulassen. Die Betriebsparameter
B umfassen dabei insbesondere für den
aktuellen Last- und Drehzahlzustand des Fahrzeugmotors, die aktuelle
Fahrzeuggeschwindigkeit, die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung, die
aktuelle Motortemperatur und/oder den aktuellen Motoröldruck charakteristische
Kennwerte.
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Das Motormanagement-System
1 ist
im Ausführungsbeispiel
für die
Einstellung einer besonders günstigen
Verbrennungscharakteristik des Kraftfahrzeugmotors auch bei wechselnden
Betriebszuständen
ausgelegt. Dazu ist das Motormanagement-System
1 datenseitig
mit einem Steuersystem
6 zur Einstellung des Drehwinkels
einer Nockenwelle
8 gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle
verbunden. Das Steuerungssystem
6 wirkt so mit als Phasen-Verstellsystem.
Die in der Figur lediglich schematisch dargestellte Nockenwelle
8 ist
dabei über
ein Getriebe
10, insbesondere ein Taumelscheibengetriebe
der in der
DE 100 38 354 offenbarten
Bauart, mit einem Nockenwellenrad
12 verbunden, das seinerseits
von einem nicht näher
dargestellten Primärantrieb
wie beispielsweise einem Zahnriemen angetrieben ist. Der Primärantrieb
ist seinerseits mit der nicht dargestellten Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs verbunden,
so dass die Kurbelwelle über
den Primärantrieb,
das Nockenwellenrad
12 und das Getriebe
10 die
Nockenwelle
8 antreibt.
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Über
das Getriebe 10 ist der Drehwinkel der Nockenwelle 8 gegenüber dem
Nockenwellenrad 12 und somit auch gegenüber dem Drehwinkel der Kurbelwelle
verstellbar. Zur eigentlichen Verstellung der Drehwinkel gegeneinander
oder auch von deren Phasendifferenz umfasst das Steuersystem 6 einen auf
das Getriebe 10 wirkenden elektromotorischen Aktor 14.
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Die datenseitige Verbindung zwischen
dem Motormanagement-System 1 und dem Steuersystem 6 ist
nunmehr im Ausführungsbeispiel
dadurch hergestellt, dass – wie
durch den Pfeil 16 dargestellt – die Reglereinheit 2 datenausgangsseitig
auf den elektromotorischen Aktor 14 einwirkt und diesem Stellwerte
S übermittelt.
Zur Einstellung einer für
den jeweils aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs besonders
günstigen
Verbrennungscharakteristik des Kraftfahrzeugmotors ist die Reglereinheit 2 dabei dafür ausgebildet,
die Stellwerte S in Abhängigkeit von
den aktuell erfassten Betriebsparametern B des Kraftfahrzeugs zu
erzeugen.
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Die Eigenschaften des elektromotorischen Antriebs
des Steuersystems 6, nämlich
die vergleichsweise großen
einstellbaren Winkelbereiche und die vergleichsweise schnellen Stell-
oder Schaltzeiten, sind dabei insbesondere dadurch ausgenutzt, dass
bereits beim Startvorgang des Motors – wo für hydraulische Systeme noch
kein ausreichender Öldruck
zur Verfügung stehen
würde – geeignete
Ansteuerungen des elektromotorischen Aktors 14 für besonders
geeignete Phasendifferenzen erfolgen.
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Die Reglereinheit 2 ist
dabei insbesondere dafür
ausgelegt, dass im Teillastbetrieb ein einer vergleichsweise großen Ventilüberschneidung
entsprechender Stellwert S für
den elektromotorischen Aktor 14 erzeugt wird. Des Weiteren
erzeugt die Reglereinheit 2 für den Fall, dass anhand der
Betriebsparameter B, insbesondere der Motortemperatur oder -drehzahl,
aktuell auf einen Startvorgang des Kraftfahrzeugmotors geschlossen
wird, einen Stellwert S für den
elektromotorischen Aktor 14, der einer vergleichsweise
späten
Einlass-Steuerzeit
entspricht.
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Falls eine Mehrzahl von, insbesondere
zwei, Nockenwellen 8 vorgesehen ist, so generiert die Reglereinheit 2 die
Stellwerte S für
die jeweils zugeordneten elektromotorischen Aktoren 14 darüber hinaus derart,
dass im Teillastbereich eine vergleichsweise große Ventilüberschneidung eingestellt wird,
wohingegen im Leerlaufbetrieb eine geringe Ventilüberschneidung
unter nahezu vollständigem
Ausschluss einer inneren Abgasrückführung eingestellt
wird.
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- 1
- Motormanagement-System
- 2
- Reglermodule
oder Reglereinheiten
- 4
- Pfeile
- 6
- Steuersystem
- 8
- Nockenwelle
- 10
- Getriebe
- 12
- Nockenwellenrad
- 14
- elektromotorischer
Aktor
- 16
- Pfeil
- B
- Betriebsparameter
- S
- Stellwerte