DE19526848B4

DE19526848B4 - Verfahren zur drosselfreien Laststeuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit variablen ansteuerbaren Gaswechselventilen

Info

Publication number: DE19526848B4
Application number: DE19526848A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.-Ing. Schmitz
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-07-22
Filing date: 1995-07-22
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2015-07-23
Also published as: US5743221A; DE19526848A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit Gaswechselventilen, die mit frei ansteuerbaren Aktuatoren verbunden sind, bei dem die Aktuatoren der einzelnen Zylinder in Abhängigkeit von der durch den Betrieb vorgegebenen Lastanforderung angesteuert werden und bei Unterschreiten einer Mindestlastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile wenigstens eines Zylinders zumindest in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden und die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder wenigstens teilweise in Freiflugbetriebsweise und/oder in Nullastbetriebsweise angesteuert werden.

Description

Mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung und mit variabel ansteuerbaren Gaswechselventilen können selbst bei ottomotorischen Brennverfahren ohne Drosselklappe auskommen. Die Laststeuerung wird bei solchen Motoren durch unterschiedliche Öffnungs- und Schliesszeitpunkte der Gaswechselventile realisiert. Zur Betätigung der Ein- und Auslassventile werden hierzu entsprechend mechanisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betätigbare Aktuatoren verwendet, durch die die Gaswechselventile zwischen ihrer Schliessstellung und ihrer Öffnungsstellung hin- und herbewegt werden, wobei durch eine entsprechende Ansteuerung Öffnungshub und/oder Öffnungszeit veränderbar sind. Im Normalfall wird das betreffende Ventil wechselweise jeweils in der durch die Öffnungsstellung oder die Schliessstellung vorgegebenen Ruhelage gehalten (Normalbetrieb).
Beispielsweise bei mechanischer Ansteuerung erfolgt dies durch Verdrehen der Steuernocken und/oder durch Veränderung der Steuerkontur. Bei elektromagnetisch betätigbaren Aktuatoren, die jeweils aus einem auf das Ventil einwirkenden Magnetanker bestehen, der durch Federkräfte seine Ruheposition zwischen zwei Elektromagneten hat, erfolgt dies durch wechselweise Bestromung der Elektromagneten, so dass der Magnetanker wechselweise durch den oberen und den unteren Magneten angezogen und somit in der oberen bzw. unteren Ruhelage gehalten wird (Normalbetrieb). Dies entspricht dann der geschlossenen bzw. der geöffneten Position des Gaswechselventils. Zur Betätigung des Gaswechselventils, d. h., der Bewegung aus der geschlossenen in die geöffnete Position und umgekehrt wird jeweils der Haltestrom durch die Spule des haltenden Magneten abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Federkraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird die Bewegung des Ankers durch die Federkraft der gegenüberliegenden Feder abgebremst. Um nun den Anker in der anderen Position zu fangen und zu halten, wird der Magnet, auf den sich der Anker zubewegt, bestromt. Aufgrund der Eigenfrequenz des durch Anker und Federn gebildeten Feder-Masse-Systems sowie der durch die endliche Abbauzeit des Magnetfeldes verursachten Klebzeit des Ankers an dem Magneten ergibt sich jedoch das Problem, dass bei hohen Drehzahlen die minimal erreichbaren Öffnungszeiten zu lang sind für einen Betrieb mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten.
Zur Lösung des Problems sind unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen worden. So wurde vorgeschlagen, dass zusätzlich zu den entsprechend den Lastanforderungen frei ansteuerbaren Ventilen eine Drosselklappe vorgesehen wurde, die in den in Betracht kommenden Betriebsfällen entsprechend angesteuert wurde. Dies bewirkt aber wieder eine Kostenerhöhung durch ein zusätzliches Bauteil.
Ein anderer Lösungsvorschlag bestand darin, die Kraftstoffzufuhr zu verringern, wobei entweder ein Magerbetrieb mit Lambda = 1 realisiert wird, oder aber durch eine zusätzliche Zufuhr von Restgas bei gleicher Zylinderfüllung ein kleinerer Anteil an Frischgemisch zur Verfügung steht. Auch diese Steuerungsmöglichkeit ist nur innerhalb gewisser Grenzen möglich.
Eine weitere Lösungsmöglichkeit bestand darin, dass die Aktuatoren der Gaswechselventile so angesteuert werden, dass das Gaswechselventil nicht vollständig öffnet. Diese Betriebsweise wird nachstehend als sogenannte Freiflugbetriebsweise bezeichnet. Bei elektromagnetischen Aktuatoren wird diese Betriebsweise dadurch bewirkt, dass der Anker in Schliessstellung des Gaswechselventils vom Magneten gehalten, während zum Öffnen des Gaswechselventils zunächst – wie vorstehend für die Normalbetriebsweise beschrieben – der Haltestrom abgeschaltet wird. Entgegen dem Verfahren der Normalbetriebsweise lässt man nun den Anker, ohne dass er auf der Gegenseite gefangen wird, durchschwingen. Hierdurch lässt sich die Klebzeit des Ankers am Magneten auf der Öffnungsseite umgehen. Bei der Freiflugbetriebsweise ergibt sich allerdings das Problem, dass bestimmte Lastbereiche nicht abzudecken sind. Dies ergibt sich aus dem zeitlichen Unterschied in der Grösse der Klebzeit zwischen dem Freiflug- und der Normalbetriebsweise mit Fangen des Ankers auf der Öffnerseite.
Aus der EP 0 433 632 A1 geht ohne Hinweis auf einen elektromagnetischen Ventiltrieb eine variable Öffnungsdauer von Einlassventilen wie auch Auslassventilen hervor. Auch eine Zylinderabschaltung ist dem Dokument zu entnehmen, um eine Teillastabschaltung der Zylinder vorsehen zu können. Dafür sollen individuell ansteuerbare Einlass- oder Auslassventile genutzt werden. Zusätzlich wird als Schaltungsalternative vorgeschlagen, dass zwischen verschiedenen Ventilen des Zylinders ausgewählt werden kann, um die Öffnungsdauer zu beeinflussen. Allein damit sollen alle aktiven Zylinder im wesentlichen dieselbe Menge an Luft/Kraftstoff-Gemisch ansaugen. Aus der DE 35 36 207 C2 wiederum ist es für einen Dieselmotor bekannt, in einem Bereich einer Mindestlastanforderung ein Zyklusraster eines Arbeitstaktes an mindestens einem Zylinder zu ändern. Aus keinem der beiden Dokumente ist aber ein Hinweis auf eine Freiflugbetriebsweise zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden mit steuerbaren Aktuatoren betätigten Gaswechselventile möglichen Steuerverfahren in der Normalbetriebsweise und in der Freiflugbetriebsweise nicht abdeckbaren Lastbereiche verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit Gaswechselventilen, die frei ansteuerbaren Aktuatoren verbunden sind, bei dem die Aktuatoren der einzelnen Zylinder in Abhängigkeit von der durch den Betrieb vorgegebenen Lastanforderung angesteuert werden und bei Unterschreiten einer Mindestlastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile wenigstens eines Zylinders weiterhin zumindest in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden und die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder wenigstens teilweise in Freiflugbetriebsweise und/ oder in Nullastbetriebsweise angesteuert werden. Durch diese Verfahrensweise ist es möglich, bei Unterschreiten bestimmter Lastanforderungen durch die unterschiedliche Ansteuerung einzelner Zylinder die jeweils bei der Normalbetriebsweise und der Freiflugbetriebsweise auftretenden "Löcher" zu vermeiden. Je nach Zahl der Zylinder der zu steuernden Kolbenbrennkraftmaschine werden dann ein oder mehrere Zylinder bei Unterschreiten der Mindestlastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile eines oder mehrerer Zylinder weiterhin in Normalbetriebsweise zumindest jedoch in Freiflugbetriebsweise angesteuert. Die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder werden dann entsprechend wenigstens teilweise zumindest in der Freiflugbetriebsweise angesteuert. Hierbei besteht aber auch die Möglichkeit, einen oder mehrere dieser übrigen Zylinder in der sogenannten Nullbetriebsweise anzusteuern. Das bedeutet, die Kraftstoffeinspritzung wird abgeschaltet und die zugehörigen Gaswechselventile werden über den gesamten Takt-Zyklus der Regelphase entweder in Schliessstellung oder in Offenstellung gehalten, so dass nur ein Teil der Zylinder tatsächlich arbeitet.
In Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass im Bereich der Minderlastanforderung die Zylinder jeweils wechselnd in den unterschiedlichen Laststeuerverfahren angesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass die in Normalbetriebsweise angesteuerten Zylinder ständig wechseln, so dass die Brennkraftmaschine insgesamt eine einheitlich Temperaturlage beibehält.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich der Minderlastanforderung das Zyklusraster der Arbeitstakte an wenigstens einem Zylinder geändert wird. Die Aktuatoren der einzelnen Gaswechselventile sind frei ansteuerbar. Daher ist es auch möglich, über eine entsprechende elektronische Steuereinrichtung, über die die Lastanforderung angegeben und auch die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, entsprechend den Lastanforderungen beispielsweise einen 2-Takt-Zyklus für einen gewissen Zeitraum vorzugeben, od den Zylinder für 2-Takte, also einen halben 4-Takt-Zyklus stillzulegen (Nullast), so dass sich ein 6-Takt-Verfahren ergibt. Statt durch Stillegung kann ein 6-Takt-Verfahren auch durch eine gezielte Ansteuerung der Aktuatoren für den oder die betreffenden Zylinder erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand von Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
1 den Ventilweg über der Zeit bei Normalbetriebsweise und bei Freiflugbetriebsweise,
2 in Form eines Drehmomentenkennfeldes in Abhängigkeit von der Drehzahl die nicht abdeckbaren Betriebsbereiche,
3 den Verlauf des Motormomentes in Abhängigkeit von der Lastvorgabe bei Normalbetriebsweise,
4 den Verlauf des Motormomentes bei Anwendung des erfindungsgemässen Steuerverfahrens.
1 zeigt ein elektromagnetisch betätigbares Gaswechselventil, den Ventilweg in Abhängigkeit von der Zeit zwischen der geschlossenen und der geöffneten Ventilstellung. Die Kurve a) zeigt hierbei den Wegverlauf bei einer Normalbetriebsweise aus der geschlossenen Ventilstellung in die Öffnungsstellung und wieder zurück in die geschlossene Ventilstellung. Nach dem Abschalten des Haltestroms und nach Ablauf der Klebzeit löst sich der Anker zum Zeitpunkt T1 vom Schliessmagneten des Aktuators und bewegt sich dann über die eingezeichnete Bahn auf den Öffnermagneten des Aktuators zu, wird von diesem zum Zeitpunkt T2 eingefangen und gehalten.
Würde man nun unmittelbar nach dem Fangen des Ankers am Öffnermagneten den Haltestrom abschalten, dann würde der Anker über die Mindestklebzeit Tk bis zum Abbau des Magnetfeldes am Öffnermagneten gehalten, so dass der Anker erst zum Zeitpunkt T3 sich wieder zurückbewegen würde und dann zum Zeitpunkt T4 vom Schliessmagneten gefangen und gehalten würde. Die Mindestöffnungszeit des Ventils bei Normalbetriebsweise wird somit durch die Mindestklebzeit Tk bestimmt, die aufgrund der baulichen und physikalischen Gegebenheiten nicht unterschritten werden kann.
In 1 ist in der Kurve b) der Bewegungsverlauf des Ventiles in der sogenannten Freiflugbetriebsweise dargestellt. Auch hier löst sich zum Zeitpunkt T1 nach Abschalten und nach Ablauf der Klebzeit der Anker vom haltenden Schliessmagneten, so dass sich dieser in die Öffnungsstellung infolge der Federwirkung bewegen kann. Diese Bewegung kann noch unterstützt werden durch den Aufbau eines Magnetfeldes im Öffnermagneten. Die Bestromung des Öffnermagneten ist jedoch begrenzt, so dass der Anker nicht am Öffnermagneten zur Anlage kommt und von diesem gehalten wird, sondern frei durchschwingt un sich wieder auf den Schliessmagneten zurückbewegt, an dem er zum Zeitpunkt T5 zur Anlage kommt. Ähnliche Bewegungsabläufe ergeben sich beispielsweise für hydraulisch betätigbare Aktuatoren.
Überlagert man nun die Bewegungskurven a) und b) – wie dies in der Kurvendarstellung c) in 1 vorgenommen wurde – dann zeigt sich, dass hier der schraffierte Bereich 1 durch diese beiden Steuerverfahren nicht abgedeckt werden kann.
2 zeigt nun schematisch ein Drehmomentenkennfeld, in dem die Auswirkung der anhand von 1 c) dargestellten und beschriebenen Einschränkungen dargestellt sind. Mit der Ansteuerung der Aktuatoren in Normalbetriebsweise (1 a)) kann bei höheren Drehzahlen der Bereich kleinerer Motormomente nicht abgedeckt werden, da eine bestimmte minimale Öffnungszeit Tk nicht unterschritten werden kann. Hierdurch ergibt sich die Grenze 2 für den mit der Normalbetriebsweise realisierbaren Bereich 3.
Der durch die Freiflugbetriebsweise abdeckbare Bereich 4 weist eine gewisse Breite auf. Durch Variationen der Lage des Freiflugs bezogen auf die Kurbelwinkelstellung sowie durch die Bestromung des Öffnungsmagneten ergeben sich hierbei gewisse Variationsmöglichkeiten. Zwischen dem Bereich 3 und dem Bereich 4 befindet sich jedoch ein nicht abdeckbarer Bereich 5. Ebenso befindet sich unterhalb des in der Freiflugbetriebsweise abdeckbaren Bereichs 4 ein nicht betreibbarer Bereich 6.
In 3 ist nun für eine vorgegebene Drehzahl der Verlauf des Motormomentes in Abhängigkeit von der Lastanforderung dargestellt. Im Bereich hoher Lasten folgt das Motormoment genau der Lastanforderung. Bei Unterschreiten einer bestimmten Lastanforderung gibt es nur noch die Auswahlmöglichkeit in der Normalbetriebsweise mit minimaler Klebzeit Tk und dem zugehörigen Mindestdrehmoment MN (Bereich 7), der Freiflugbetriebsweise mit dem zugehörigen Drehmoment MF (Bereich 8) oder der Nullast mit dem Drehmoment 0 (Bereich 9), der durch Halten des anzusteuernden Gaswechselventiles in der geschlossenen oder geöffneten Position verwirklicht wird. Hierdurch ergibt sich eine Stufung des Momentes, die der Fahrer als störend empfindet.
In 4 ist die Abhilfe entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren dargestellt, die durch die unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Zylinder möglich ist. Als Beispiel ist hier ein Vierzylindermotor gewählt. Unterhalb der Kurve 10 für das Gesamtmotormoment sind die Momente für die einzelnen Zylinder I bis IV dargestellt. Von hohen Lastwünschen herkommend wird bei Erreichen der in Normalbetriebsweise minimal möglichen Last MNmin ein Zylinder, beispielsweise der Zylinder I, weiter in Normalbetriebsweise angesteuert, während die restlichen drei Zylinder in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden. Hierdurch ergibt sich für den in Normalbetriebsweise angesteuerten Zylinder I eine höhere Lastanforderung, die auch bei weiterer Reduktion des Lastwunsches problemlos realisierbar ist.
Sobald der Wert der Lastanforderung jedoch auf den Wert
sinkt (Punkt 11 der Gesamtmotormomentkurve), muss ein Teil der Zylinder ganz abgeschaltet werden. In 4 werden beispielsweise die Zylinder II bis IV komplett abgeschaltet und der verbleibende Zylinder I wird weiter in Normalbetriebsweise angesteuert. Dies funktioniert bis zu einer Reduktion der Lastanforderung auf etwa 1/4 MNmin (Punkt 12 der Gesamtmotormomentkurve).
Bei kleineren Lastanforderungen setzt wiederum eine Stufung ein, die durch Übergang der Ansteuerung in Normalbetriebsweise au eine Freiflugbetriebsweise bzw. den Übergang von Freiflugbetriebsweise auf Nullast des verbleibenden Zylinders erfolgt. Durch einen unterschiedlichen Betrieb der einzelnen Zylinder jeweils in Freiflugbetriebsweise oder Nullastbetriebsweise kann eine sehr feine Stufung erreicht werden.
In 4 wurde wegen der besseren Verständlichkeit darauf verzichtet, die möglichen zusätzlichen Variationen durch die Änderung der zeitlichen Lage der Freiflugbetriebsweise darzustellen. Tatsächlich ergibt sich jedoch hierdurch die Möglichkeit, auch die letzten verbleibenden Abstufungen zumindest zu verringern oder gar zu beseitigen.
Auch ist es möglich, andere Lastkombinationen bei den einzelnen Zylindern zu wählen. So ist es beispielsweise sinnvoll, aus d jeweils möglichen Kombinationen einer. Ansteuerung in Normalbetriebsweise, Freiflugbetriebsweise oder Nullastbetriebsweise jeweils diejenige auszuwählen, die den verbrauchsgünstigsten und/oder schadstoffärmsten oder in anderer Hinsicht optimalen Betrieb ermöglicht.
Die Nullastbetriebsweise kann auch durch andere Massnahmen als durch Halten der Ventile in offener oder geschlossener Position realisiert werden und zwar beispielsweise durch Abschalten der Einspritzung. Zweckmässig ist es ferner, wenn die einzelnen Zylinder in ihrer Lastansteuerung abwechseln, so dass sich Vorteile hinsichtlich eines ruhigen Motorlaufes und einer gleichmässigen Wärmeverteilung ergeben. Neben dem Abwechseln der Ansteuerung der einzelnen Zylinder von Zyklus zu Zyklus kann auch ein Wechsel der Betriebsart unregelmässig, durch einen Pseudozufallsgenerator, einen sogenannten Rauschgenerator erfolgen, der der elektronischen Motorsteuerung zugegeben ist.
Selbst auf ein Zyklusraster eines reinen 4-Takt-Verfahrens ist man nicht beschränkt, wenn die Aktuatoren der Gaswechselventile über die elektronische Motorsteuereinrichtung frei ansteuerbar sind. Dann ist es auch möglich, in bestimmten Bereichen einen 2-Takt-Zyklus einzuschieben oder einen oder mehrere Zylinder für 2-Takte, also einen halben 4-Takt-Zyklus, stillzulegen, so dass sich insgesamt ein 6-Takt-Verfahren ergibt. Statt durch Stillegung kann ein 6-Takt-Verfahren auch durch eine gezielte Ansteuerung der Aktuatoren der Gaswechselventile in Verbindung mit einer entsprechende Ansteuerung der Einspritzeinrichtung erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit Gaswechselventilen, die mit frei ansteuerbaren Aktuatoren verbunden sind, bei dem die Aktuatoren der einzelnen Zylinder in Abhängigkeit von der durch den Betrieb vorgegebenen Lastanforderung angesteuert werden und bei Unterschreiten einer Mindestlastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile wenigstens eines Zylinders zumindest in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden und die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder wenigstens teilweise in Freiflugbetriebsweise und/oder in Nullastbetriebsweise angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Minderlastanforderung die Zylinder jeweils wechselnd in den unterschiedlichen Laststeuerverfahren angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Minderlastanforderung das Zyklusraster der Arbeitstakte an wenigstens einem Zylinder geändert wird.