DE19501386A1 - Verfahren zum Steuern einer fremdgezündeten, mit einer Kraftstoffeinspritzanlage ausgerüsteten Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Nach einem gattungsgemäßen Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinen weisen im allge­ meinen keine Drosselklappe auf. Der Ladungswechsel wird vielmehr durch variable An­ steuerung des bzw. der Einlaßventile sowie gegebenenfalls auch der Auslaßventile gesteu­ ert. Mit einem solchen Steuerverfahren können die Ladungswechselverluste deutlich ver­ mindert werden und es lassen sich durch gezielte Beeinflussung des Ladungszustandes und der Ladungszusammensetzung im Zylinder geringere Rohemissionen im Abgas erzielen.

Voll variable Ventiltriebe zur Laststeuerung von Kolbenbrennkraftmaschinen werden in der Literatur wegen der genannte Vorteile zwar zahlreich beschrieben, in der Praxis konnten sie sich bisher jedoch nicht durchsetzen. In der GB 2 180 597 A ist beispielsweise ein Ventiltrieb für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben, bei dem eine Öffnungs­ nockenwelle und eine Schließnockenwelle mit einem Schwinghebel zusammenwirken, der sich auf dem Ventilschaft eines Einlaßventils abstützt. Damit der Schwinghebel bei ge­ schlossenem Einlaßventil eine definierte Lage beibehält, ist eine Feder vorgesehen, die den Schwinghebel in ständige Anlage an die Nockenkonturen der beiden Nockenwellen drückt. Dadurch entfernt sich der Schwinghebel zeitweilig vom Ventilschaft. Dies erschwert den Einsatz eines selbsttätigen Ventilspielausgleichs erheblich. Eine Eigenart des bekannten Nockentriebs besteht des weiteren darin, daß der wirksame Ventilhub der Hälfte der Nockenerhebung entspricht, was den Nockentrieb sperrig macht und seine Drehzahlfestigkeit begrenzt. Zur Veränderung der Phasenlage zwischen den Nockenwellen sind diese über ein Koppelgetriebe verbunden, das zur Phasenverstellung eine von einem Gaspedal betätigte Koppel als Stelleinrichtung aufweist. Ahnlich wie die mechanisch mit einem Gaspedal ver­ bundene Drosselklappe konventioneller Motoren übernimmt die Koppel die Laststeuerung der Brennkraftmaschine. Dabei besteht das Problem, daß das Einlaßventil etwa im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens schließen muß, da andernfalls die Füllung und damit das Drehmoment bei niederen Drehzahlen nachteilig beeinflußt wird.

Zur Steuerung der Zündung und Kraftstoffeinspritzung ist es bekannt, die vom Motor an­ gesaugte Frischluftmenge mit einem Luftmengenmesser oder einem Luftmassenmesser zu messen und die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit dieses Meßsignals zu bestimmen. Diese bekannten Steuerungsverfahren haben den Nachteil, insbesondere im dynamischen Betrieb, bei dem sich infolge einer Veränderung der Drosselklappenstellung oder einer raschen Drehzahländerung der Druck im Saugrohr verändert, verhältnismäßig ungenau zu sein, da das Meßsignal keine ausreichend präzise Schlüsse auf die in den je­ weiligen Zylinder strömende Frischluftmenge und entsprechend die benötigte Kraftstoffein­ spritzmenge zuläßt. Dies führt zu erhöhten Schadstoffen im Abgas, erhöhtem Verbrauch und Fahrfehlern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer fremdgezün­ deten, mit einer Kraftstoffeinspritzanlage ausgerüsteten Kolbenbrennkraftmaschine anzuge­ ben, das bei geringem Schadstoffgehalt im Abgas ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistung der Brennkraftmaschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Öffnungsfunktion des Einlaßventils nicht nur in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals, sondern zusätzlich von weiteren Be­ triebsgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert. So kann beispielsweise die bei Vollgasstel­ lung erreichte maximale Öffnungsfunktion an die Drehzahl der Brennkraftmaschine ange­ paßt werden, so daß bei niedriger Drehzahl das Einlaßventil früher schließt als bei hoher Drehzahl, wodurch bei ständig geringen Rohemissionen einerseits ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und andererseits eine hohe Leistung erzielt wird. Das erfindungs­ gemäße Verfahren umfaßt ein breites Spektrum möglicher Vorrichtungen zu seiner Durch­ führung. Beispielsweise kann zwischen den Nockenwellen, deren Phasenlage die Öffnungs­ funktion des Einlaßventils bestimmt, ein an sich bekanntes Koppelgetriebe vorgesehen sein, dessen Koppel über ein elektronisches Steuergerät angesteuert wird, welches an Eingangs­ größen die Gaspedalstellung und die Betriebsgrößen aufnimmt. Es kann auch jede der Nockenwellen mit einem eigenen Phasensteller versehen sein, der ihre Phase gegenüber der Kurbelwelle verstellt, so daß Öffnungs-und Schließflanke des Einlaßventils unabhängig voneinander veränderbar sind. In Abwandlung kann auch eine Phasenverstellvorrichtung zwischen den beiden Nockenwellen wirken und eine weitere Phasenverstellvorrichtung vor­ gesehen sein, über die eine der Nockenwellen von der Kurbelwelle angetrieben wird.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß bei einem gattungsgemäßen Verfahren eine gesonderte Messung der Masse bzw. Menge der der Brennkraftmaschine zuströmen­ den Frischluft nicht erforderlich ist, da die Kenntnis der Öffnungsfunktion des Einlaßven­ tils und der Drehzahl einen genauen Schluß auf die der Brennkraftmaschine zuströmende Frischluft zuläßt. Dynamische Korrekturen sind so gut wie nicht erforderlich. Dadurch wird bereits mit dem sehr einfach durchführbaren Verfahren gemäß Anspruch 2 ein sehr guter Betrieb der Brennkraftmaschine erzielt.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird die Genauigkeit des Steuerverfahrens erhöht, indem der Einfluß der Temperatur und des Druckes auf die Füllung zusätzlich berücksich­ tigt werden. Als Temperatur kann beispielsweise die Saugrohrtemperatur dienen. Als Druck kann, da ein erfindungsgemäß gesteuerter Motor keinen Unterdruck behaftetes Saugrohr aufweist, der Umgebungsdruck dienen. Selbstverständlich kann für noch bessere Genauigkeit auch der Druck im Saugrohr unmittelbar vor dem Einlaßventil gemessen werden, der sich vom Umgebungsluftdruck durch Strömungsverluste und/oder Druckpulsa­ tionen unterscheidet.

Die insbesondere zur Steuerung des Einspritzendes gemäß Anspruch 4 herangezogenen Öffnungsfunktion des Einlaßventils wird vorteilhafterweise unmittelbar durch die Stellung des Stellgliedes erfaßt. Dabei bestehen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren je nach Betriebsbedingungen große Freiheitsgrade. Beispielsweise kann ein großer Teil des Kraftstoffes unmittelbar nach Schließen des Einlaßventils vorgelagert werden, da ins­ besondere bei Teillast wegen der kurzen Öffnungsdauer des Einlaßventils ein langer Zeitraum zur Verdampfung des Kraftstoffes durch Aufheizung zur Verfügung steht. Alter­ nativ kann in bestimmten Betriebsbereichen Kraftstoff auch derart eingespritzt werden, daß die hohen Einströmgeschwindigkeiten zur mechanischen Kraftstoffaufbereitung und Ge­ mischbildung genutzt werden. Damit ist vor allem die Lage des Einspritzendes wesentlich.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 kann insbesondere bei Teillastbetrieb, wo der Schließzeitpunkt des Einlaßventils im Bereich größter Kolbengeschwindigkeiten liegt, eine außerordentlich wirksame mechanische Gemischaufbereitung durch die hohen Einströmge­ schwindigkeiten erzielt werden.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 6 wird erreicht, daß Kraftstoff thermisch durch Verdampfen voraufbereitet wird.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 wird erreicht, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die vorgesteuerte Einspritzmenge nachgeregelt wird, so daß ein gewünschter Lambdawert genau eingehalten werden kann.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 8 wird erreicht, daß sich die Brennkraftmaschine vom Anlasser leicht andrehen läßt, was den Stromhaushalt entlastet.

Die Merkmale des Anspruchs 9 sind darauf gerichtet, während der ersten Arbeitstakte der Brennkraftmaschine, bei denen der Zylinder noch kalt und eine thermische Gemisch­ aufbereitung kaum möglich ist, das Gemisch mittels der kinetischen Einströmenergie aufzubereiten. Ein geringer Hub in Verbindung mit einer Öffnung des Einlaßventils im Bereich hoher Kolbengeschwindigkeiten und/oder hohen Unterdrucks im Zylinder führt zu größtmöglichen Einströmgeschwindigkeiten und damit sehr guter Gemischaufbereitung.

Die Öffnungsdauer des Einlaßventils kann dabei so liegen, daß es im Bereich der höchsten Kolbengeschwindigkeit oder kurz danach schließt. Die Öffnungsdauer kann auch nach spät in den Bereich vor dem unteren Totpunkt des Kolbens verschoben werden. Dabei kommt es wegen des dann vorherrschenden starken Unterdrucks zu einem besonders kraftvollen Einströmen. Bei den geringen Anlaßdrehzahlen wird trotz des geringen Hubes eine gute Füllung erzielt, die ein kraftvolles Zünden unterstützt.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 10 wird eine möglichst hohe Füllung und damit effek­ tive Verdichtung erzielt. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren dadurch möglich, daß die Schließflanke des Einlaßventils drehzahlabhängig beeinflußt wird, so daß das Einlaßventil bei niederen Drehzahlen für maximale Füllung im Bereich des unteren Kolbentotpunktes schließt und dadurch eine effektive Verdichtung erzielt wird, die der geometrischen entspricht. Dies führt zu hohen Verdichtungsendtemperaturen mit ent­ sprechend guten Verbrennungsbedingung.

Gemäß dem Anspruch 11 regelt der Motor nach dem Anspringen selbsttätig eine gewünsch­ te Leerlaufdrehzahl ein.

Eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Anspruch 12 ist beson­ ders vorteilhaft, weil der Betrieb nur eines Einlaßventils zu besonders hohen Einströmge­ schwindigkeiten der Ladung führt, was die Gemischaufbereitung unterstützt und bei unsymmetrischer Anordnung des einzigen betätigten Ventils relativ zum Brennraum zu einer Verwirbelung der Ladung des gesamten Brennraums führt, was thermodynamisch vorteilhaft ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 13 wird die Gemischbildung in der Warmlaufphase verbessert, wenn dadurch die Einströmgeschwindigkeit der frischen Ladung vergrößert wird.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 14 wird die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bestehenden, mechanischen Toleranzen vermindert.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 15 lassen sich außerordentlich weiche Übergänge zwischen Schubbetrieb und Lastbetrieb erzielen. Des weiteren wird erreicht, daß der Motor bei Schubbetrieb nicht auskühlt.

Gemäß Anspruch 16 kann der Motor unmittelbar durch Regelung der Öffnungsfunktion in seiner Leistung begrenzt werden.

Gemäß Anspruch 17 kann das Überschreiten einer Höchstdrehzahl durch einfaches Regeln der Öffnungsfunktion vermindert werden.

Der Anspruch 18 ist auf eine außerordentlich einfache Möglichkeit zur Regelung der Leerlaufdrehzahl ohne jedwelche Bypässe oder Ähnliches gerichtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt eine so rasche Steuerung bzw. Regelung der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu, daß gemäß den Ansprüchen 19 und 20 er­ wünschte, einzuregelnde Laständerungen durch bloßen Eingriff in die Öffnungsfunktion möglich sind.

Gemäß dem Anspruch 21 eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich gut für aufgeladene Motoren, da der Druck- bzw. Energieverlust durch die konventionelle Drosselklappe fehlt.

Gemäß dem Anspruch 22 kann es vorteilhaft sein, zur gezielten Beeinflussung der Restgas­ menge für geringstmöglichen Verbrauch bei bestmöglichen Schadstoffwerten eine Drossel­ klappe vorzusehen.

Insgesamt läßt sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Brennkraft­ maschine, insbesondere fremdgezündete Brennkraftmaschine mit außerordentlich geringem Verbrauch bei sehr geringem Schadstoffgehalt im Abgas verwirklichen. Das erfindungsge­ mäße Verfahren gestattet insbesondere durch gezielte Beeinflussung des Luft-/Kraftstoff­ verhältnisses, der Steuerzeiten und des Restgasgehalts, beispielsweise durch die Ventilüber­ schneidungszeitquerschnitte und/oder durch die Druckdifferenz zwischen Abgas- und Saug­ system, einen verbrauchsminimalen bzw. schadstoffminimalen Betrieb, wobei die Schwer­ punkte je nach Notwendigkeiten gelegt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen Ventiltrieb, wie er zur drosselklappenlosen Laststeuerung einer fremdge­ zündeten Kolbenbrennkraftmaschine eingesetzt werden kann,

Fig. 2 ein Koppelgetriebe, welches zur Veränderung der relativen Phasenlage der bei­ den Nockenwellen gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann,

Fig. 3 eine Schar von Öffnungsfunktionen des Einlaßventils gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung,

Fig. 5 ein Flußbild eines Anlaßvorgangs, und

Fig. 6 ein Beispiel eines Verlaufes Restgasanteil in Abhängigkeit von der Last.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung von Brennkraftma­ schinen zwei mit gleicher Drehzahl umlaufende Nockenwellen 1 und 2, deren Nockenkon­ turen bzw. Nockenscheiben gemeinsam auf ein Abgriffsglied 3 wirken. Die Überlagerung der Hubfunktion der beiden Nockenscheiben führt zu einer Bewegung des Abgriffsgliedes 3, die durch ein oder mehrere Übertragungsglieder 4 auf das Ventil 6, beispielsweise ein Einlaßventil, übertragen wird. Durch eine relative Veränderung der Phasenlage der beiden Nockenwellen 1 und 2 zueinander kann diese Hubbewegung sowohl nach der Höhe des Maximalhubes als auch nach der Dauer der Ventilöffnung in weiten Grenzen variiert wer­ den.

Das Abgriffsglied 3 ist auf dem Übertragungsglied 4 beweglich geführt. Das Übertra­ gungsglied 4 ist als Schlepphebel ausgebildet. Eine Feder 8 bewirkt eine definierte Anlage des Abgriffsgliedes 3 am Umfang der Nockenwelle 1. Bei 10 ist das Übertragungsglied 4 schwenkbar gelagert.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt:

Die Nockenwellen 1 und 2 drehen sich, wie durch die Pfeile dargestellt, mit gleicher Ge­ schwindigkeit in entgegengesetzter Richtung. Sei 1 die Öffnungsnockenwelle und 2 die Schließnockenwelle, wobei die Anordnung derart dimensioniert ist, daß das Ventil 6 ge­ schlossen ist, wenn das Abgriffsglied am Erhebungsbereich der Schließnockenwelle 2 und am Grundkreis der Öffnungsnockenwelle 1 anliegt (dargestellter Zustand).

Wenn sich die Öffnungsnockenwelle 1 aus der dargestellten Lage heraus weiter dreht, kommt die Öffnungsflanke der Öffnungsnockenwelle 1 in Anlage an das Abgriffsglied 3, während dieses weiter am Erhebungsbereich der Schließnockenwelle 2 anliegt. Dadurch wird das Ventil geöffnet und bleibt so lange geöffnet, bis der Erhebungsbereich der Schließnockenwelle 2 endet und der Grundkreis der Schließnockenwelle 2 in Anlage an das Abgriffsglied 3 kommt. Anschließend endet der Erhebungsbereich der Öffnungsnockenwel­ le 1, woraufhin das Abgriffsglied 3 unter Wirkung der Feder 8 sich von der Nockenwelle 2 entfernt, bis wiederum der Erhebungsbereich der Schließnockenwelle 2 in den Bereich des Abgriffsgliedes 3 kommt und der Vorgang erneut beginnt.

Die Öffnungsfunktion des Ventils 6 kann durch Veränderung der Phasenlage zwischen den Nockenwellen 1 und 2 verändert werden. Eine Einrichtung zur Veränderung dieser Phasenlage ist in Fig. 2 dargestellt:

Diese Einrichtung ist durch ein Koppelgetriebe mit vier Zahnrädern 16, 17, 18 und 19 ge­ bildet, welche über Koppeln 20, 21 und 22 miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 16 ist drehfest mit der Öffnungsnockenwelle 1 verbunden, die beispielsweise unmittelbar von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben ist. Das Zahnrad 17 ist drehfest mit der Schließnockenwelle 2 verbunden. Die Koppel 20 ist nach außen verlängert und kann relativ zu ihrer mit der Öffnungsnockenwelle 1 gleichachsigen Lagerung verschwenkt wer­ den (Doppelpfeil α₂). Die Stellung α₂ der Koppel 20 bestimmt die Phasenlage zwischen den Zahnrädern 16 und 17 und somit zwischen der Öffnungsnockenwelle 1 und der Schließnockenwelle 2.

Mit der beschriebenen Einrichtung läßt sich für das Einlaßventil 6 in Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen Öffnungsnockenwelle 1 und Schließnockenwelle 2 die in Fig. 3 dar­ gestellte Schar von Öffnungsfunktionen darstellen. Die Ordinate stellt den Ventilhub dar, die Abszisse die Stellung der Kurbelwelle in Grad Kurbelwinkel, wobei 360° dem oberen Totpunkt vor der Ansaugphase und 540° dem unteren Totpunkt am Ende der Ansaugphase des jeweiligen Zylinders entsprechen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bleibt in der beschriebe­ nen Ausführungsform der Beginn der Öffnung im wesentlichen unverändert und je nach Phase zwischen Öffnungs- und Schließnockenwelle verändert sich mit Zunahme des Öffnungsintegrals zunächst vorwiegend der Hub, dann Hub und Schließzeitpunkt des Einlaßventils und bei großen Öffnungsintegralen schließlich, sobald der maximale Hub erreicht ist, nur noch der Schließzeitpunkt. Mit einer solchen Schar von Öffnungsfunktio­ nen läßt sich der gesamte Lastbereich vom Leerlauf bis Vollast überdecken, wobei sogar ein Hub 0 möglich ist. Dabei werden je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine un­ terschiedliche Öffnungsfunktionen bei gleicher Stellung eines Gas- bzw. Fahrpedals ange­ steuert. Beispielsweise entspricht die rechteste Kurve der Fig. 3, die mit a bezeichnet ist, der Vollast bei hoher Drehzahl, wohingegen die mit b bezeichnete Kurve der Vollast bei niederer Drehzahl entspricht.

Durch den Einbau weiterer Phasenverschiebungsvorrichtungen in den Ventiltrieb lassen sich weitere Freiheitsgrade erzielen. Beispielsweise kann die Phase zwischen der Öffnungs­ nockenwelle 1 und der Kurbelwelle durch Einbau eines an sich bekannten Phasenschiebers verändert werden, wodurch die gesamte Kurvenschar der Fig. 3 nach links oder rechts ver­ schoben werden kann. Auch ist es möglich, für die Öffnungsnockenwelle 1 und die Schließnockenwelle 2 getrennte, von der Kurbelwelle her angetriebene Koppelgetriebe zu verwenden, so daß weitere Freiheitsgrade möglich sind. Selbstverständlich sind die Phasenschiebeeinrichtungen auch zur Steuerung des oder der Auslaßventile einsetzbar.

Der in Fig. 1 dargestellte Ventiltrieb kann auch dahingehend modifiziert werden, daß es möglich ist, bei mehreren Einlaßventilen je Zylinder gezielt alle bis auf eines stillzusetzen. Dazu gibt es mehrere konstruktive Möglichkeiten, die hier nicht dargestellt sind. Beispiels­ weise kann jedem Einlaßventil eine eigene, über ein eigenes Koppelgetriebe gesteuerte Schließnockenwelle zugeordnet sein, wobei die Phase dieser Schließnockenwelle so gesteuert wird, daß die zugehörigen Einlaßventile in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise beim Anlassen oder während der Schwachlast ganz geschlossen bleiben. Alternativ können je Zylinder auch mehrere Abgriffsglieder und/oder Übertragungsglieder vorhanden sei, die mit den Einlaßventilen zusammenwirken. Zwischen den Übertragungs­ gliedern ist ein Kupplungsmechanismus vorgesehen, mittels dessen einzelne der Über­ tragungsglieder derart kuppel- bzw. entkuppelbar sind, daß im entkuppelten Zustand nur ein Einlaßventil betätigt wird.

Fig. 4 zeigt den Grundaufbau des Steuersystems für den beschriebenen Motor:

An ein zentrales Steuergerät 30 sind der Geber eines elektronischen Gaspedals 32, ein Drehzahlgeber 34 für die Motordrehzahl, ein Klopfsensor 36, eine Lambdasonde 38, ein Drucksensor 40 zum Erzeugen eines dem Luftdruck stromoberhalb des oder der Einlaß­ ventile, vorzugsweise dem Umgebungsluftdruck, entsprechenden Signals, ein Saugrohr 42, ein Kühlflüssigkeitstemperaturgeber 44, gegebenenfalls weitere Geber 46, beispielsweise für den Druck unmittelbar stromoberhalb des Einlaßventils oder für die Öltemperatur, und ein Stellungsgeber 48, angeschlossen, der einen Winkel α₂ als Stellung der Koppel 20 erfaßt.

An seinen Ausgängen gibt das Steuergerät 30 Signale zur Steuerung der Einspritzung 50, der Zündung 52 und der Stellung einer Betätigungsvorrichtung 53 zum Betätigen der Kop­ pel 20. Die Betätigungsvorrichtung 53 kann beispielsweise hydraulisch betätigt sein, wobei eine hydraulische Energieversorgungseinheit 54 vorgesehen ist, welche die Betätigungsein­ richtung 53 über eine Steuereinheit 56 steuert. Aufbau und Technologie des Steuergerätes 30 sind an sich bekannt und werden daher nicht im einzelnen beschrieben.

Das Steuergerät 30 enthält beispielsweise Kennfelder, in denen in Abhängigkeit von der augenblicklichen Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Stellung α₁ der Koppel 20, gegebenenfalls zusätzlich einem zeitlichen Differential von α₁, Werte zur Ansteuerung der Steuereinheit 56, der Einspritzung 50 und der Zündung 52 abgelegt sind. Diese Grund­ steuerung reicht aus, um die Brennkraftmaschine präzise vorzusteuern, wobei keine komplizierten Korrekturalgorithmen verwendet werden müssen, wie bei herkömmlichen Steuerungen drosselklappengesteuerter Brennkraftmaschinen. Die jeweilige Füllung des Zy­ linders ist präzise durch die jeweils wirksame Öffnungsfunktion des Einlaßventils, gegeben durch die Stellung α2 der Koppel 20, bestimmt.

Je nach Wunsch eines Fahrers und/oder den jeweiligen Erfordernissen kann im Steuergerät die Zuordnung zwischen der Stellung α₁ des elektronischen Gaspedals 32 und der dazuge­ hörigen Stellung α₂ der Koppel 20 beeinflußt werden, so daß der Motor auf augenblick­ liche Gaspedalbewegungen sehr rasch reagiert, wodurch ein sportlicher Eindruck entsteht oder gedämpft reagiert, wodurch der Komfort erhöht wird.

Die durch die Kennfelder festgelegten Vorsteuerwerte werden vorteilhafterweise entspre­ chend vom Druckgeber 40 und einem oder mehreren von den Temperaturgebern 42 und 44 gegebenen Temperaturwerten korrigiert. Damit werden im allgemeinen langsam veränderliche zusätzliche Einflußgrößen auf die Füllung berücksichtigt.

Die im Steuergerät 30 abgelegte Software steuert das Einspritzende vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der augenblicklichen Öffnungsfunktion des Einlaßventils. Bei einer ohne Drosselklappe arbeitenden Brennkraftmaschine steht kein großes, unterdruckbeaufschlagtes "Totvolumen" im Saugrohr zur Verfügung, in dem eine Gemischaufbereitung erfolgt. Dem stehen jedoch zwei durch das erfindungsgemäße Verfahren mögliche Vorteile gegenüber: Zum einen ist bei Schwachlast die Öffnungsdauer des Einlaßventils relativ kurz, so daß ein langer Zeitraum für die thermische Verdampfung von Kraftstoff zur Verfügung steht, wenn dieser unmittelbar nach dem Schließen des Einlaßventils auf das heiße Ventil gespritzt wird. Zum anderen liegt die Schließflanke des Einlaßventils bei kleinen Lasten (untere Kurven der Fig. 3) in dem Bereich größter Kolbengeschwindigkeit, so daß außerordentlich hohe Einströmgeschwindigkeiten herrschen, die zur mechanischen Gemischaufbereitung genutzt werden können. Je nach Betriebszustand des Motors läßt sich der eine Vorteil oder der andere Vorteil stärker ausnutzen oder lassen sich beide Vorteile kombinieren. Wenn ein zusätzlicher Phasensteller vorgesehen ist, der ermöglicht, die Schwachlastkurven gemäß Fig. 3 nach spät zu verschieben, so herrschen gerade bei kleinsten Öffnungsfunktio­ nen bzw. schwächsten Lasten außerordentlich hohe Einströmgeschwindigkeiten, die zu einer guten mechanischen Gemischaufbereitung führen.

Vorteilhafterweise wird die Einspritzmenge in Abhängigkeit vom Signal der Lambdasonde 38 oder einer sonstigen, im Abgasstrang befindlichen Sonde zur Analyse des Abgases derart nachgeregelt, daß eine vorbestimmte Abgaszusammensetzung erzielt wird. Vorteils­ hafterweise wird die Einspritzung und/oder Zündung bei Auftreten eines Klopfsignals nachgeregelt, bis das Klopfen verschwindet.

Bezüglich des Anlassens eröffnet die drosselklappenfreie Laststeuerung vorteilhafte Mög­ lichkeiten, die anhand Fig. 5 beschrieben werden. In einem ersten Schritt 58 wird die Zün­ dung eingeschaltet. Wenn im Schritt 60 festgestellt wird, daß die Drehzahl Null ist, wird im Schritt 62 die Koppel 20 auf den Wert α₂ = 0 eingestellt, so daß das Einlaßventil im wesentlichen geschlossen bleibt. Der Motor kann somit im Schritt 64 leicht angedreht werden, was den Stromhaushalt entlastet. Sobald im Schritt 66 festgestellt wird, daß die Drehzahl einen Wert n₁ überschritten hat, wird im Schritt 68 die Koppel 20 auf α₂ = max gestellt, d. h. maximale Füllung bei der augenblicklichen Drehzahl. Es versteht sich, daß dieser Wert nicht dem maximal möglichen Öffnungsintegral bzw. der maximal möglichen Öffnungsfunktion entspricht, die die bei hohen Drehzahlen eingenommene Hüllkurve der Fig. 3 ist. Anschließend wird die Zündung eingeschaltet und eingespritzt und der Anlasser wird ausgeschaltet. Sobald die Brennkraftmaschine dann hochläuft und im Schritt 70 festgestellt wird, daß die Drehzahl eine vorgegebene Drehzahl n₂ überschreitet, wird der Wert α₂ im Schritt 72 laufend zurückgenommen, bis im Schritt 74 festgestellt wird, daß eine Solldrehzahl n_s erreicht ist, woraufhin im Schritt 76 auf Normalbetrieb übergegangen wird.

Mit diesem Anlaßverfahren wird die Brennkraftmaschine jederzeit sicher bei minimalem Stromverbrauch und optimaler Abgasqualität gestartet.

Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät 30 den Betrieb so, daß während der Warmlauf­ phase der Brennkraftmaschine die Öffnungsfunktion des Einlaßventils nach spät verschoben wird, falls eine entsprechende Phasenstelleinrichtung vorhanden ist. Damit wird erreicht, daß die Frischladung während des Saughubs des Kolbens mit erhöhter Strömungsgeschwin­ digkeit einströmt, was die mechanische Gemischaufbereitung bei kaltem Motor verbessert.

Alternativ zum geschilderten Anlaßverfahren kann im Schritt 66 der Ventiltrieb so einge­ stellt werden, daß eine Öffnungsfunktion mit geringem Hub und Öffnungsbeginn bei ca. 450° KW und Schließen im Bereich des unteren Totpunktes realisiert wird. Dies ergibt gute Füllung bei ausgezeichneter, mechanischer Gemischaufbereitung.

Im leerlaufnahen Betrieb des Motors wird die Öffnungsfunktion des Einlaßventils vor­ teilhafterweise nach früh verschoben, wodurch eine erhöhte Drehzahlstabilität erzielt wird, weil die Empfindlichkeit gegenüber vorhandenen Toleranzen wegen der fehlenden Druck­ differenz geringer wird.

Im Schubbetrieb, d. h. bei α₁ = 0 und einer Motordrehzahl größer als die Leerlaufdrehzahl wird die Öffnungsfunktion vorteilhafterweise zumindest annähernd auf Null gebracht, d. h. α₂ auf annähernd Null gestellt. Damit wird ein Auskühlen des Motors verhindert und es werden weiche Übergänge erzielt. Es versteht sich, daß Schubbetrieb auch anders festge­ stellt werden kann, beispielsweise mittels eines Drehmomentsensors im Antriebsstrang.

Die Leistung und die Drehzahl der Brennkraftmaschine können in einfacher Weise über die Öffnungsfunktion bzw. die Stellung der Koppel 20 begrenzt werden. Somit ist es möglich, durch bloße Softwareänderung im Steuergerät 30 Motoren unterschiedlicher Leistung an­ zubieten.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet so rasch, daß kurzzeitige Laständerungen, bei­ spielsweise während des Schaltens eines Automatgetriebes, die über einen zusätzlichen Ge­ ber 46 festgestellt werden können, durch bloße Änderung der Öffnungsfunktion, d. h. Ver­ stellung von α₂, vorgenommen werden, um beispielsweise Schaltstöße zu glätten usw.

Auch plötzlich auftretender Schlupf eines angetriebenen Fahrzeugrades kann dadurch ver­ mindert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei Anbau eines Turboladers oder einer son­ stigen Aufladeeinrichtung an die Brennkraftmaschine verwendet werden, indem strom­ oberhalb des Einlaßventils ein weiterer Geber installiert wird, der den dort herrschenden Druck feststellt und die Zuordnung zwischen α₁ und α₂ in Abhängigkeit von diesem Druck so verändert wird, daß ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen Stellung des Gaspedals α₁ und erwünschten Drehmoment bzw. erwünschter Leistung erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung an Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Einspritzanlagen, wie Zentraleinspritzung, Einzelzylindereinspritzung und/oder Direkteinspritzung in den Zylinder. Durch die gezielt einsetzbare mechanische Gemischaufbereitung mittels hoher Einströmgeschwindigkeiten lassen sich in weiten Betriebsbereichen optimale Verbrennungsbedingungen einstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren steht infolge des Wegfalls der einlaßseitigen Drosselung die Druckdifferenz am Einlaßventil als zusätzlicher freier Parameter zur Steuerung des Restgasgehaltes der im Brennraum befindlichen Ladung zur Verfügung. Diese Druckdifferenz kann durch eine in den Figuren nicht dargestellte, über einen Stellmotor mit dem Steuergerät 30 verbundene und von diesem angesteuerte Klappe im Saugsystem und/oder im Abgassystem der Brennkraftmaschine gesteuert werden.

Zur Steuerung des Restgasanteils auf Werte von 25-30% genügen Druckdifferenzen von weniger als 0,05 bar.

Folgende Restgasgehalte haben sich beispielsweise als günstig erwiesen:

• - im leerlaufnahen Bereich: Restgasgehalte von 15-18% für gute Laufruhe und geringe HC-Emissionen;
• - im Bereich mittlerer Lasten: Restgasgehalte zwischen 20-30% für niedrige NO_x Emissionen und günstigen Verbrauch;
• - im Bereich hoher Lasten: geringe Restgasgehalte zwischen 4-8% für hohe Füllung, niedrige Verdichtungsendtemperaturen und geringe Klopfneigung.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen günstigen Restgasanteil in Abhängigkeit von der Last.

Claims (22)

1. Verfahren zum Steuern einer fremdgezündeten, mit einer Kraftstoffeinspritz­ anlage ausgerüsteten Kolbenbrennkraftmaschine, deren je Ansaughub angesaugte Ladungs­ menge dadurch gesteuert wird, daß die Öffnungsfunktion eines Einlaßventils mittels einer Stelleinrichtung eingestellt wird, insbesondere dadurch, daß das Einlaßventil von zwei mit gleicher Drehzahl umlaufenden Nocken betätigt wird, deren relative Phasenlage die Öffnungsfunktion bestimmt, wobei die Stellung der Stelleinrichtung die Phasenlage bestimmt und von der Stellung eines Gaspedals abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals und Be­ triebsgrößen der Brennkraftmaschine, wie z. B. Drehzahl und/oder Temperatur gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt und die Einspritzmenge in direkter Abhängigkeit von der Stellung der Stelleinrichtung und der Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt und die Einspritzmenge in Abhängigkeit von wenigstens einer charak­ teristischen Temperatur und einem charakteristischen Luftdruck korrigiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzende in Abhängigkeit von der Öffnungsfunktion des Einlaßventils gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß ein wesentlicher Teil des Kraftstoffes kurz vor dem Schließen des Einlaßventils eingespritzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einspritzbeginn vor dem Öffnungsbeginn des zugehörigen Einlaßventils liegt und das Einspritzende während der Öffnungsdauer liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einspritzmenge in Abhängigkeit vom Signal eines Abgassensors nachgeregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß beim Andrehen der Brennkraftmaschine zum Zwecke des Anlassens die Einlaß­ ventile zunächst geschlossen bleiben.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Andrehen der Brennkraftmaschine eine Öffnungsfunktion eingestellt wird, die infolge hoher Einströmgeschwindigkeiten zu einer mechanischen Gemischaufbereitung führt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Andrehen die Öffnungsfunktion auf den maximaler Füllung entsprechenden Wert ge­ steuert wird, bei dem die ersten Einspritzungen erfolgen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfunktion unmittelbar anschließend an die ersten Einspritzungen bzw. Zündungen derart geregelt wird, daß sich eine vorbestimmte Leerlaufdrehzahl der Brenn­ kraftmaschine einstellt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Anlassen und/oder im Teillastbetrieb bei mehreren Einlaßventilen je Zylinder nur eines der Einlaßventile öffnet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß insbesondere während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine die Öffnungsfunktion des Einlaßventils bezogen auf den Arbeitshub des Kolbens nach spät verschoben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungsfunktion des Einlaßventils im leerlaufnahen Betrieb nach früh ver­ schoben wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Schubbetrieb die Öffnungsfunktion zumindest annähernd auf Null gestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungsfunktion derart geregelt ist, daß eine vorbestimmte Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine nicht überschritten wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungsfunktion derart geregelt ist, daß eine vorbestimmte Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht überschritten wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leerlaufdrehzahl durch Regelung der Öffnungsfunktion auf einem vor­ bestimmten Wert gehalten wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß kurzzeitige Laständerungen, beispielsweise während des Schaltens eines Auto­ matgetriebes, durch Änderungen der Öffnungsfunktion erfolgen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungsfunktion bei Schlupf eines angetriebenen Fahrzeugrades vermindert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Einsatz einer Vorrichtung zum Verdichten der dem Einlaßventil zugeführten Ladung der Druck stromoberhalb des Einlaßventils gemessen wird und die Öffnungsfunk­ tion in Abhängigkeit von dem Druck derart gesteuert ist, daß eine Füllung erzielt wird, die einer über ein manuell betätigbares Gaspedal eingegebenen, gewünschten Füllung ent­ spricht.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellung einer im Saugrohr und/oder Abgassystem vorgesehenen Drossel­ klappe zum Zweck der Beeinflussung der Restgasmenge im Brennraum in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine gesteuert wird.