DE19546549C1 - Verfahren zum Ab- und Zuschalten einzelner Zylinder - Google Patents
Verfahren zum Ab- und Zuschalten einzelner ZylinderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ab- und Zuschalten von
einzelnen Zylindern einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine gemäß
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der US 5,337,720 ist ein Verfahren zur Zylinderabschaltung
für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine bekannt, bei dem
einzelne Zylinder durch Ansteuerung der Ventilsteuerung und der
Kraftstoffeinspritzung ab- beziehungsweise zugeschaltet werden.
Beim Abschalten eines Zylinders wird zuerst die zugehörige
Kraftstoffeinspritzung deaktiviert und nach genau einem weiteren
Ansaughub die zugehörigen Gaswechselventile deaktiviert und
dadurch in geschlossenem Zustand gehalten. Beim Zuschalten eines
Zylinders werden entsprechend zuerst die Gaswechselventile
aktiviert und nach genau einem weiteren Ansaughub auch die
Kraftstoffeinspritzung wieder aktiviert.
Bei solchen Zylinderabschaltungen kann es zu unerwünschten
Effekten kommen. Beispielsweise kann es beim Abschalten eines
Zylinders vorkommen, daß das zugehörige Einlaßventil vor dem
Auslaßventil stillgesetzt wird. In diesem Fall wird beim vorher
gehenden Arbeitstakt das Abgas aus dem Zylinder ausgeschoben,
jedoch kein Frischgas mehr in den Brennraum geführt. Dadurch
kommt es im Vergleich zu einer Abschaltung, bei der sich heißes
Abgas im Brennraum befindet, zu einer unerwünschten Auskühlung.
Ein anderer unerwünschter Ablauf ist der, daß zwar beim Abschal
ten zuerst das Auslaßventil abgeschaltet wird, daß aber beim
anschließenden Zuschalten dieses Zylinders zuerst das Einlaß
ventil aktiviert wird. Somit ist der Brennraum während der
Abschaltphase zwar mit heißem Abgas gefüllt. Beim Zuschalten
wird aber dann das Frischgas mit diesem im Brennraum verblie
benen Abgas vermischt, was eine schlechtere Verbrennung zur
Folge hat.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ab- und
Zuschalten einzelner Zylinder derart zu verbessern, daß eine
Auskühlung der Brennräume der abgeschalteten Zylinder und eine
Beeinträchtigung der Abgaszusammensetzung durch den Umschalt
vorgang verhindert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn
zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.
Dadurch, daß beim Umschalten eines Zylinders die Aktivierung
beziehungsweise Deaktivierung der Ein- und Auslaßventile derart
zeitlich gesteuert erfolgt, daß die Abschaltung des besagten
Zylinders nach einem Ansaugtakt und die Zuschaltung des besagten
Zylinders vor einem Ansaugtakt erfolgt, wird sichergestellt, daß
sich im abgeschalteten Zylinder stets heißes Abgas befindet und
somit das Auskühlen des Brennraumes weitgehend verhindert wird.
Beim Zuschalten des Zylinders wird zuerst dieses Abgas aus dem
Brennraum ausgeschoben und erst anschließend neues Luft/Kraft
stoffgemisch angesaugt. Dadurch wird trotz Zylinderabschaltung
gewährleistet, daß in dem Zylinder entweder eine definierte oder
aber gar keine Verbrennung stattfindet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unter
ansprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist
nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit einer Vorrichtung
zur Zylinderabschaltung teilweise im Schnitt,
Fig. 2 die Mehrzylinderbrennkraftmaschine aus Fig. 1 im
Querschnitt,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Abschalteinrichtung für
vier Gaswechselventile,
Fig. 4 schematisch die Ventilerhebungskurven der Gaswechsel
ventile eines Zylinders vor während und nach einer
Zylinderabschaltung,
Fig. 5 schematisch das Abschalt-Timing anhand der Ventil
steuerzeiten für einen Achtzylinder-V-Motor,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für Zu- und Abschaltkennlinien
für die Zylinderabschaltung,
Fig. 7 schematisch die Korrektur für den Drosselklappenwinkel
anhand einer Zylinderumschaltung, und
Fig. 8 schematisch das Abschalt-Timing anhand der Ventil
steuerzeiten für einen Sechszylinder-Motor zeigt.
Für Mehrzylinderbrennkraftmaschinen sind Verfahren und Vor
richtungen bekannt, mit deren Hilfe beispielsweise aus Gründen
der Kraftstoffeinsparung in bestimmten Betriebsbereichen ein
oder mehrere Zylinder abgeschaltet werden können. Hierzu werden
für die ausgewählten Zylinder vorzugsweise die Gaswechselventile
geschlossen gehalten und die Kraftstoffeinspritzung unter
brochen. Gemäß den weiter unten beschriebenen Ausführungs
beispielen erfolgt die Zylinderabschaltung in Abhängigkeit von
Last und Drehzahl, wobei in der Abschaltphase nur noch die
Hälfte der Zylinder betrieben werden. In anderen Worten wird
eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine nur noch mit drei
Zylindern beziehungsweise eine Achtzylinder-Brennkraftmaschine
nur noch mit vier Zylindern betrieben. Die Erfindung kann jedoch
in entsprechender Weise auch auf die Abschaltung einzelner
Zylinder angewendet werden.
Vorrichtungen zum Aktivieren und Deaktivieren einzelner Gas
wechselventile sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden
daher im folgenden nur kurz beschrieben. Beispielsweise ist aus
einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin (DE 42 21 135 C1),
auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, eine hydrau
lische Vorrichtung zur Koppelung zweier Ventilbetätigungshebel
bekannt. Zwar wird die dort beschriebene Vorrichtung für die
Kopplung zweier durch unterschiedliche Nocken einer Nockenwelle
betätigte Ventilbetätigungshebel eingesetzt. Eine solche Koppel
einrichtung kann aber gemäß den folgenden Ausführungen auch für
die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung eines einzigen
Ventilbetätigungshebels verwendet werden.
Im Zylinderkopf 1 einer nicht weiter dargestellten Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
gemäß den Fig. 1-3 ist zumindest ein Einlaß
beziehungsweise Auslaßventil 2 je Zylinder vorgesehen, welches
von einer Nockenwelle 3 angetrieben wird. Die Vorrichtung wird
im folgenden zwar anhand eines Einlaßventils 2 beschrieben, kann
aber entsprechend auch für Auslaßventile verwendet werden. Jedem
Einlaßventil 2 sind zwei Nocken 4, 5 auf der Nockenwelle 3
zugeordnet, wobei der eine Nocken 4 einen als Kipphebel ausge
bildeten, das Einlaßventil unmittelbar antreibenden Betätigungs
hebel 6 abstützt, während der andere Nocken 5 einen mit dem
Betätigungshebel 6 koppelbaren Koppelhebel 7 betätigt. Der
Betätigungshebel 6 und der Koppelhebel 7 sind auf einer gemein
samen Hebelachse 8 drehbar gelagert. Die beiden Nocken 4, 5
haben Grundkreise gleichen Durchmessers, wobei lediglich der dem
Koppelhebel 7 zugeordnete Nocken 5 eine Nockenerhebung aufweist.
Im ungekoppelten Zustand ist der Grundkreis des Nockens 4
wirksam, so daß das Einlaßventil 2 im geschlossenen Zustand
verbleibt. Im gekoppelten Zustand der beiden Hebel 6, 7 ist die
Nockenerhebung des Nockens 5 wirksam, wodurch das Einlaßventil 2
betätigt wird. Die Ventilerhebungskurve wird somit ausschließ
lich durch den Nocken 5 bestimmt.
Die Kopplung von Betätigungshebel 6 und Koppelhebel 7 erfolgt
durch eine Koppelvorrichtung 25, die als Koppelelemente einen
Bolzen 9, eine Führungstasse 13, ein Zylinderloch 10 und eine
Bohrung 11 umfaßt. Der Bolzen 9 ist in einer zur Hebelachse 8
parallelen Bohrung 11 im Koppelhebel 7 längsverschiebbar geführt
und von einer Feder 12 über eine Führungstasse 13 belastet, die
im Zylinderloch 10 im Betätigungshebel 13 längsverschiebbar
geführt ist. Die Hebel 6, 7 und die Nocken 4, 5 sind derart
angeordnet, daß das Zylinderloch 10 bei Anlage der beiden Hebel
6, 7 am jeweiligen Grundkreis der Nocken 4, 5 mit der Bohrung 11
fluchtet. Im gekoppelten Zustand drückt die Feder 12 die
Führungstasse 13 und den Bolzen 9 gegen einen Anschlag 14 auf
der dem Betätigungshebel 6 abgewandten Seite. In dieser Stellung
ragt die Führungstasse 13 mit einer Teillänge 16 in die Bohrung
11, wodurch die beiden Hebel 6 und 7 drehfest miteinander
koppelt sind. Zur Entkopplung der beiden Hebel 6, 7 wird in
einem Druckraum 15 auf der dem Betätigungshebel 6 abgewandten
Seite des Bolzens 9 ein Öldruck erzeugt, der diesen gegen die
Kraft der Feder 12 bis zum Anschlag der Führungstasse 13 an der
Stirnwand des Zylinderlochs 10 in dieses schiebt, so daß er mit
der Berührungsebene zwischen den beiden Hebeln 6, 7 abschließt
und nicht in die Bohrung 11 hineinragt.
Die Führungstasse 13 kann nur während des Wirksamseins des
Grundkreises des Nockens 5 in die Bohrung 11 eingeschoben
werden, da diese und das Zylinderloch 10 während des Wirksam
seins der Nockenerhebung des Nockens 5 nicht miteinander
fluchten. Da während dieses Wirksamseins der Nockenerhebung
erhebliche Kräfte zwischen den Hebeln 6, 7 übertragen werden,
ist auch dann, wenn der Kopplungs- oder Entkopplungsvorgang
durch Druckaufbau oder Druckentlastung im Druckraum 15 bereits
eingeleitet ist, ein Verschieben der Führungstasse 13 innerhalb
der Bohrung 11 während des Wirksamseins der Nockenerhebung
ausgeschlossen. Um eine Beschädigung der Führungstasse 13 zu
vermeiden sollte sie sich daher beim Wirksamwerden der
Nockenerhebung bereits in ausreichendem Maße in der Bohrung 11
befinden.
Der Druckauf- und -abbau im Druckraum 15 erfolgt über eine
Längsbohrung 17 in der Hebelachse 8, die über eine Querleitung
26 im Koppelhebel 7 mit dem Druckraum 15 verbunden ist. Die
Längsbohrung 17 wird von einer Ölpumpe 18, die die übliche
Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine sein kann, über eine
Leitung 19 mit Öl versorgt. In dieser Leitung 19 ist ein 3/2-Wege-Ventil
20 angeordnet, das die Längsbohrung 17 entweder mit
der Ölpumpe 18 oder einem Vorratsbehälter 21 verbindet. Das 3/2-Wege-Ventil
20 wird über ein elektrisches Signal von einem
Steuergerät 22 geschaltet, welches als Eingangssignale 23
insbesondere die Motordrehzahl n, ein Stellungssignal der
Kurbel- oder Nockenwelle Nseg, sowie die Öltemperatur Töl über
einen Temperaturfühler 24 in der Leitung 19 erhält. Mit Hilfe
des Steuergerätes 22 kann das 3/2-Wege-Ventil 20 in ganz
bestimmten Nockenwellenstellungen angesteuert werden. Das 3/2-Wege-Ventil
20 ist schnellschaltend und besitzt eine möglichst
geringe Schaltzeitinvarianz. Zusätzlich wird durch möglichst
große Leitungsquerschnitte und möglichst geringer Leitungslängen
die Zeitverzögerung zwischen dem Schalten des 3/2-Wege-Ventils
20 und des Bolzens 9 verringert.
Die oben beschriebene Vorrichtung zur Zylinderabschaltung ist
nur ein mögliches Ausführungsbeispiel. Selbstverständlich können
auch andere Vorrichtungen verwendet werden. Entscheidend ist
jedoch, daß die Ansteuerung der Umschaltung schnell und ohne
zeitliche Schwankungen erfolgt. Nur in diesem Fall kann die
Umschaltung anhand der momentanen Motordrehzahl n an einem
möglichst genau vorgegebenen Nockenwellenwinkel vorgenommen
werden.
In Fig. 4 sind die Ventilerhebungskurven der Ein- und Auslaß
ventile 2 beispielhaft anhand des Zylinders Z2 vor, während und
nach einer Zylinderabschaltung schematisch dargestellt, wobei
nach rechts der Kurbelwellenwinkel KW und nach oben die Ventil
erhebungskurve aufgezeichnet ist. Während eines Arbeitstaktes
der Brennkraftmaschine öffnet das Einlaßventil ELV2 und das
Auslaßventil ALV2 ohne Zylinderabschaltung jeweils einmal. Die
Kurbelwellen-Bereiche, in denen die Zylinderabschaltung nicht
aktiviert ist, sind mit ZAS0, der Bereich mit Zylinderab
schaltung mit ZAS1 bezeichnet. Der nach unten gerichtete Pfeil
kennzeichnet den Zeitpunkt der Zylinderabschaltung, der nach
oben gerichtete Pfeil die Zylinderzuschaltung. Zur Verdeut
lichung, daß zwischen Zylinderab- und -zuschaltung eine belie
bige Anzahl von Arbeitstakten liegen kann, ist die Winkelachse
im Bereich der Zylinderabschaltung ZAS1 unterbrochen.
Fig. 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zylinderab
beziehungsweise -zuschaltung erfindungsgemäß zu einem vorgege
benen Zeitpunkt beziehungsweise bei einem vorgegebenen Kurbel
winkel erfolgt. Und zwar erfolgt die Zylinderabschaltung erfin
dungsgemäß immer nach einem Einlaßtakt ELV2. Dadurch wird
erreicht, daß sich im abgeschalteten Zylinder Z2 während der
Abschaltphase ZAS1 heißes Abgas befindet und eine unerwünschte
Auskühlung des Brennraumes vermieden wird. Unmittelbar vor der
Abschaltung wird nämlich noch zündfähiges Kraftstoff/Luftgemisch
in den Zylinder Z2 geleitet und anschließend dort korrekt
verbrannt. Lediglich der darauffolgende Auslaßtakt ALV2 wird
unterbunden. Nach einer beliebigen Anzahl von ausgesetzten
Arbeitstakten wird anschließend die Zylinderabschaltung vor dem
Beginn eines Auslaßtaktes ALV2 aufgehoben. Dadurch wird das
Abgas in die Abgasleitung ausgeschoben und anschließend wieder
zündfähiges Frischgas angesaugt.
Zur Aufrechterhaltung einer korrekten Verbrennung ist es also
wichtig, daß die Umschaltvorgänge zu vorgegebenen Zeitpunkten
beziehungsweise Kurbelwinkeln erfolgen. Bei einer Zylinderum
schaltung ohne entsprechendes Timing kommt es aufgrund der
Statistik bei einem bestimmten Anteil der Umschaltvorgänge zu
einem nicht korrekten Verbrennungsablauf. Hierbei sind zwei
Konstellationen, wie sie in den Fig. 4b und 4c dargestellt sind
denkbar. Zum einen kann der Abschaltvorgang zu einem Zeitpunkt
erfolgen, an dem das Auslaßventil ALV2 bereits geöffnet hat und
somit das verbrannte Abgas bereits ausgeschoben wird, das Ein
laßventil ELV2 aber noch geschlossen ist. Ein solcher Zeitpunkt
ist in Fig. 4b mit einem gestrichelten, nach unten gerichteten
Pfeil markiert. In diesem Fall befindet sich während der
Abschaltphase ZAS1 kein heißes Abgas im Brennraum, so daß eine
verstärkte Auskühlung des Brennraumes erfolgt und außerdem ein
hoher Unterdruck im Brennraum herrscht.
Die zweite unerwünschte Konstellation kann bei der Zylinder
zuschaltung auftreten und ist in Fig. 4c entsprechend mit einem
gestrichelten, nach oben gerichteten Pfeil markiert. Hierbei
erfolgt die Zylinderzuschaltung zu einem Zeitpunkt unmittelbar
vor einem Einlaßtakt, wobei der vorhergehende Auslaßtakt aber
noch unterdrückt wurde. Ist nun die Zylinderabschaltung korrekt
nach einem Einlaßtakt erfolgt, so befindet sich zum Zeitpunkt
des ersten Ansaugtaktes noch verbranntes Abgas im Brennraum.
Beim ersten Ansaugtakt vermischt sich das Frischgas im Brennraum
mit dem Abgas, wodurch ein schlecht oder zündunfähiges Gas
gemisch entstehen kann. Die Folge ist eine Verschlechterung des
Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine. Um solche unerwünschten
Konstellationen sicher zu verhindern ist ein entsprechendes
Timing des Ab- und Zuschaltvorganges unerläßlich.
Im folgenden wird nun anhand von Fig. 5, in der schematisch die
Ventilsteuerzeiten für einen Achtzylinder-V-Motor dargestellt
sind, ein erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Abschalt
vorganges ausführlich beschrieben. Die Zylinder sind auf zwei
Bänke aufgeteilt, wobei die Zylinder Z1-Z4, die in Fig. 4
oberhalb der gestrichelten Linie dargestellt sind, in Bank1 und
die Zylinder Z5-Z8, die unterhalb der gestrichelten Linie
dargestellt sind, in Bank2 angeordnet sind. Nach rechts ist die
Zeitachse beziehungsweise der Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen,
wobei die in der ersten Zeile zusätzlich aufgetragenen Kurbel
wellensegmente Nseg mit einem beispielsweise direkt an der
Kurbelwelle 3 angeordneten Segmentgeber erfaßt werden. In der
ersten Zeile ist zum besseren Verständnis zusätzlich die
Zündfolge der einzelnen Zylinder Z1-Z8 aufgetragen. In den
darunterliegenden Zeilen sind die Ventilsteuerzeiten ELV1-ELV8,
ALV1-ALV8 der einzelnen Einlaß- und Auslaßventile 2 gezeigt,
wobei zum besseren Verständnis auch die Ventilsteuerzeiten der
abgeschalteten Ventile 2, allerdings mit einer Schraffur
versehen, dargestellt sind.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden bei der Zylinderab
schaltung die Hälfte der Zylinder Z1-Z8 abgeschaltet, und zwar
in Bank1 die Zylinder Z2 und Z3 und in Bank2 die Zylinder Z5 und
Z8. Hierfür sind an den abzuschaltenden Zylinder Z2, Z3, Z5, Z8
entsprechende Abschalteinrichtungen vorgesehen. An den anderen
Zylindern Z1, Z4, Z6 und Z7 sind keine Abschalteinrichtungen
angeordnet. Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur Brennkraft
maschinen mit jeweils einem Ein- beziehungsweise Auslaßventil 2
pro Zylinder gezeigt sind, bezieht sich das erfindungsgemäße
Verfahren auch auf Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlaß
und/oder Auslaßventilen pro Zylinder. Hierbei müssen lediglich
alle Ventile der abzuschaltenden Zylinder mit einer ent
sprechenden Abschalteinrichtung ausgestattet werden. Gemäß dem
Ausführungsbeispiel werden alle zu schaltenden Ventile ALV2,
ELV2, ALV3, ELV3 von Bank1 über eine in Fig. 3 dargestellte und
insgesamt mit 27a bezeichnete erste Abschaltvorrichtung
betätigt, während für die zu schaltenden Ventile ALV8, ELV8,
ALV5, ELV5 in Bank2 eine zweite Abschalteinrichtung 27b
vorgesehen ist.
Die Zylinderabschaltung soll gemäß Fig. 5 am zweiten Zylinder Z2
in Bank1 beginnen. Anschließend werden die weiteren Zylinder in
der Reihenfolge Z3, Z8 und Z5 deaktiviert, wobei bei jedem
Zylinder Z2, Z3, Z8, Z5 zuerst das Auslaßventil abgeschaltet
wird. Um zu gewährleisten, daß die Abschaltung beim Auslaßventil
2 von Zylinder Z2 beginnt muß die Abschalteinrichtung 27a
irgendwo in dem mit Schaltfenster1 bezeichneten Kurbelwinkel
bereich geschaltet werden. Das Schaltfenster1 erstreckt sich
über den Kurbelwellenbereich zwischen dem Einlaßbeginn des
Ventils ELV3 und dem Auslaßbeginn des Ventils ALV2. Beim Start
des Schaltvorgangs wird in der Abschalteinrichtung 27a die
Leitung 19 über das 3/2-Wege-Ventil 20 mit der Ölpumpe 18
verbunden. Dadurch steigt in den Druckräumen 15 aller Koppel
vorrichtungen 25 der Ventile ALV2, ELV2 des Zylinders Z2 und
ALV3, ELV3 des Zylinders Z3 gleichzeitig der Öldruck an. In die
Koppelstellung können jedoch nur diejenigen Ventile 2 gelangen,
deren Koppelhebel 7 zum aktuellen Zeitpunkt am Grundkreis des
Nockens 5 anliegen, da sich der Bolzen 9 nur dann aus der
Bohrung 11 bewegen kann. Solange das entsprechende Ventil durch
den zugehörigen Nocken 5 in Öffnungsstellung gehalten wird ist
die Führungstasse 13 nicht kräftefrei und eine Entkopplung kann
somit nicht stattfinden.
Würde nun der Umschaltvorgang bereits vor dem vorgegebenen
Bereich gestartet, so würde zuerst das Einlaßventil ELV3 am
Zylinder Z3 abgeschaltet. In diesem Fall befände sich das Ventil
ELV3 nämlich noch in der Schließstellung und somit könnte bei
einer Aktivierung der Abschalteinrichtung 27a der Entkoppel
vorgang sofort starten. Würde der Entkoppelvorgang auf der
anderen Seite erst nach dem Verlassen des Schaltfenster1
gestartet, so wäre das Auslaßventil ALV2 bereits zumindest
teilweise geöffnet und der Entkoppelvorgang könnte nicht mehr
erfolgreich durchgeführt werden. Das Einlaßventil ELV2 wäre zu
diesem Zustand aber noch in Schließstellung und könnte somit
erfolgreich deaktiviert werden. Somit würde das Auslaßventil
ALV2 noch einen vollständigen Auslaßtakt durchlaufen, während
der folgende Einlaßtakt ELV2 bereits unterdrückt würde. Dies
hätte aber zur Folge, daß die Umschaltung des Zylinders Z2 nicht
nach einem Einlaßtakt, sondern nach einem Auslaßtakt erfolgen
würde.
Für die Zylinderabschaltung hat diese Wahl des Schaltfensters1
folgenden Effekt: In Zylinder Z2 ist zu Beginn des Schalt
fensters1 der vorhergehende Auslaßtakt ALV2 auf jeden Fall
beendet und bei einer Aktivierung der Abschalteinrichtung 27a
kann der Entkoppelvorgang sofort starten. Der Einlaßtakt ELV2
ist entweder bereits abgeschlossen oder aber die Koppelvor
richtung 25 am Einlaßventil 2 wird trotz der Aktivierung der
Abschaltvorrichtung 27a durch den Kraftschluß bis zur Vollendung
des Einlaßtaktes ELV2 in der Koppelstellung gehalten. Somit ist
für Zylinder Z2 gewährleistet, daß die Zylinderabschaltung auf
jeden Fall nach einem Einlaßtakt erfolgt. In Zylinder Z3 hat
sowohl der Auslaßtakt ALV3 als auch der Einlaßtakt ELV3 zu
Beginn des Schaltfensters 1 bereits begonnen, so daß beide
Arbeitstakte aufgrund des Kraftschlußes in den Koppelvor
richtungen 25 vollständig ausgeführt werden, so daß auch das
Arbeitsspiel der Gaswechselventile 2 im Zylinder Z3 vor der
Zylinderabschaltung mit einem Einlaßtakt endet.
Die Öffnungszeiten der Ventile an den Zylindern Z1 und Z4 können
bei dieser Betrachtung unberücksichtigt bleiben, da hier keine
Koppelvorrichtungen 25 vorgesehen sind. Entsprechendes gilt für
die Zylinder Z6 und Z7 in Bank2. Hier müssen lediglich die
Öffnungszeiten der Ventile an den Zylindern Z5 und Z8 berück
sichtigt werden, da nur diese Ventile mit einer Koppelvor
richtung 25 versehen sind. Die Betrachtungen hinsichtlich der
Wahl des zugehörigen Schaltfensters2 entsprechen dem oben
gesagten. Hierbei beginnt das Schaltfenster2 nach dem Einlaß
beginn am Einlaßventil ELV5 und endet vor dem Auslaßbeginn am
Auslaßventil ALV8.
Für den Zeitpunkt, an dem die Abschaltung erfolgen soll, wird
aus Sicherheitsgründen die Mitte der Schaltfenster 1,
beziehungsweise 2 gewählt. Dadurch wird gewährleistet, daß zum
einen das Ventil ELV3 beziehungsweise ELV5 bereits weit geöffnet
ist und somit mit Sicherheit nicht entkoppelt werden kann und
daß zum anderen der Entkoppelvorgang für das Ventil ALV2
beziehungsweise ALV8 vor dem Auslaßbeginn mit Sicherheit beendet
ist. Bei der Ansteuerung des 3/2-Wege-Ventils 20 muß jedoch
zusätzlich berücksichtigt werden, daß das System bedingt durch
seine mechanische und hydraulische Trägheit eine bestimmte
Schaltzeit, das heißt den Zeitraum zwischen der Ansteuerung des
3/2-Wege-Ventils 20 und dem potentiellen Schaltvorgang an den
Koppelvorrichtungen 25, benötigt. Diese Schaltzeiten AbsZ1,
AbsZ2 addieren sich aus einem von der Drehzahl- und der
Öltemperatur abhängigen Offset AbsZOs und einer richtungs
abhängigen Ventilschaltzeit AbsZab, AbsZzu. Richtungsabhängig
bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die sich die Schaltzeiten
für die Zylinderabschaltung AbsZab und die Zylinderzuschaltung
AbsZzu unterscheiden. Diese Schaltzeiten können beispielsweise
aus einem entsprechenden Kennfeld ausgelesen werden.
Als Referenzmarke für das Schalttiming wird jeweils der Beginn
des letzten Nockenwellensegmentes Nseg vor dem Zünd-OT des
ersten schaltenden Zylinders gewählt. Für Bank1 ist beispiels
weise der Zünd-OT (ZOT2) für Zylinder Z2 eingetragen, wobei die
Referenzmarke in diesem Fall dem Ende des mit 2 bezeichneten
Nockenwellensegments Nseg entspricht. Ausgehend von dieser
Referenzmarke wird der Winkelbereich WSFM1, WSFM2 bis zur Mitte
des entsprechenden Schaltfensters1, 2 bestimmt. Liegt nun ein
Signal der Motorsteuerung zur Zylinderabschaltung vor, so wird
zuerst zum aktuellen Kurbelwellenwinkel die entsprechende
Schaltzeit AbsZ1, AbsZ2 und anschließend der zugehörige Winkel
bereich WSFM1, WSFM2 addiert. Ausgehend von diesem Zeitpunkt
wird dann die nächstmögliche Referenzmarke ermittelt und daraus
rückwärts durch Subtraktion des Winkelbereichs WSFM1, WSFM2 und
der Schaltzeit AbsZ1, AbsZ2 der gewünschte Schaltzeitpunkt SZP1,
SZP2 berechnet. Zu diesem Zeitpunkt wird dann durch Umschalten
des 3/2-Wege-Ventils 20 die Zylinderabschaltung aktiviert.
Die Lage der Schaltfenster bezogen auf den Überschneidungs-OT
von Zylinder Z2 für Bank1 beziehungsweise Zylinder Z8 für Bank2
wird ermittelt nach der Formel:
Schaltfenster-Mitte = -1/2(-Ab + EB) - 360° KW
mit: EB = Einlaßbeginn (Betrag) in °KW vor OT bei 0 mm Ventilhub,
AB = Auslaßbeginn (Betrag) in °KW vor UT bei 0 mm Ventilhub,
wobei in der Formel ein positives Vorzeichen einem Kurbelwinkel nach und ein negatives Vorzeichen einem Kurbelwinkel vor dem jeweiligen Überschneidungs-OT entspricht.
AB = Auslaßbeginn (Betrag) in °KW vor UT bei 0 mm Ventilhub,
wobei in der Formel ein positives Vorzeichen einem Kurbelwinkel nach und ein negatives Vorzeichen einem Kurbelwinkel vor dem jeweiligen Überschneidungs-OT entspricht.
Eine Zylinderabschaltung kann prinzipiell jedoch nur dann
erfolgen, wenn verschiedene vorgegebene Einschaltbedingungen
erfüllt sind. Hierzu werden verschiedene Motorparameter, bei
spielsweise Motor-/Öltemperatur, Öldruck, Drehzahl, Zeitraum
seit dem Motorstart beziehungsweise seit der letzten Zylinder
abschaltung, eingelegter Gang und Umgebungsdruck mit vorge
gebenen Schwellwerten beziehungsweise zulässigen Wertebereichen
verglichen. Eine Zylinderabschaltung wird nur dann zugelassen,
wenn einige oder alle diese Einschaltbedingungen erfüllt sind.
Insbesondere die Drehzahlbedingungen können zur Unterdrückung
von ungewollten Schaltvorgängen mit einer Hysteresedrehzahl, wie
in Fig. 6 gezeigt, versehen werden. Hierzu werden zwei Kenn
linien WDK1, WDK2 für den Drosselklappenwinkel WDK in Abhängig
keit von der Drehzahl n vorgegeben. Im Bereich ZAS1 unterhalb
der Kennlinie WDK1 kann die Zylinderabschaltung immer und im
Bereich ZAS0 oberhalb der Kennlinie WDK2 nie aktiviert werden.
Die Umschaltung von ZAS0 auf ZAS1 erfolgt jedoch erst bei Unter
schreiten der Kennlinie WDK1. Die Umschaltung von ZAS1 auf ZAS0
entsprechend erst bei Überschreiten der Kennlinie WDK2. Im
Bereich zwischen den beiden Kennlinien WDK1, WDK2 erfolgt also
keine Umschaltung. Überschreitet der Drosselklappenwinkel WDK,
wie in der rechten Hälfte von Fig. 6 gezeigt, die Kennlinie WDK1
nur geringfügig und auch nur für kurze Zeit, so wird eine
Deaktivierung der Zylinderabschaltung unterbunden. Überschreitet
der Drosselklappenwinkel WDK bei einer spontanen Lastanforderung
die Kennlinie WDK2, so wird die Zylinderabschaltung deaktiviert.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Zylinderabschaltung
also nur dann aktiviert, wenn zum einen die Einschaltbedingungen
erfüllt sind und wenn zum anderen die Kennlinie WDK1 unter
schritten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird dann die Ermittlung der
Schaltzeit SZP1, SZP2 ausgelöst. Beim Erreichen dieses Schalt
zeitpunktes SZP1, SZP2 wird schließlich der Abschaltvorgang
durch eine Ansteuerung des 3/2-Wege-Ventils 20 gestartet. Die
Kraftstoffeinspritzung wird derart gesteuert, daß vor jedem
korrekten Ansaughub eine Einspritzung in den betreffenden
Zylinder erfolgt, bei deaktiviertem Einlaßventil aber eine
Einspritzung auf jeden Fall verhindert wird. Das heißt, es gibt
weder eine Kraftstoffeinspritzung in einen abgeschalteten
Zylinder noch gibt es Arbeitstakte, in denen ausschließlich Luft
in den Brennraum geführt wird. Um dies sicherzustellen werden
entsprechende Steuersignale von der Zylinderabschaltung an das
Steuergerät für die Kraftstoffeinspritzung übergeben.
Um bei der Zylinderabschaltung neben der Abgasqualität auch den
Fahrkomfort und Kraftstoffverbrauch zu berücksichtigen, können
zusätzliche Korrekturen bezüglich Drosselklappenstellung, Kraft
stoffzumessung und Zündzeitpunkt vorgesehen werden. Hinsichtlich
der Drosselklappenstellung soll durch die Korrektur die durch
das Abschalten von Zylindern bedingte Drehmomentänderung aus
geglichen werden. Würde nämlich bei einem konstanten Beschleu
nigungsvorgang, das heißt konstanter Fahrpedalstellung, die
Zylinderabschaltung einsetzen, so würde sich ohne eine Korrektur
des Drosselklappenwinkels die Ausgangsleistung der Brennkraft
maschine ändern. Der entsprechend umgekehrte Effekt ist auch bei
einer Zylinderzuschaltung festzustellen. Um dies zu vermeiden
wird vom momentanen Drosselklappensollwert WDK_ZAS0 bei deakti
vierter Zylinderabschaltung auf einen korrigierten Drossel
klappensollwert WDK_ZAS1 bei aktivierter Zylinderabschaltung
umgeschaltet. Die Umschaltung kann durch Addition eines
Umschaltkennfeldes, dessen Werte in Abhängigkeit von der
Drehzahl n und dem unkorrigierten Drosselklappensollwert WDK_
ZAS0 vorgegeben werden, zum Drosselklappensollwert WDK_ZAS0
erfolgen.
Neben diesem Stationärwert für den Drehmomentausgleich vor
beziehungsweise nach einem Umschaltvorgang kann zusätzlich noch
eine dynamische Korrektur zur schnelleren Saugrohrdruckanpassung
vorgenommen werden. Um bei einer spontanen Sollwertänderung den
Saugrohrdruck schneller auf den neuen Sollwert einzustellen wird
hierbei für eine kurze Zeitdauer eine überhöhte Sollwertänderung
vorgegeben.
In Fig. 7 sind die Drosselklappensollwerte WDK_soll für einen
stationären Zustand in Abhängigkeit von der Zeit vor, während
und nach einer Zylinderabschaltung aufgetragen. Ausgehend von
einem Zustand ZAS0 ohne Zylinderabschaltung wird die Drossel
klappe auf einen Sollwert WDK_ZAS0 geregelt. Wird nun zu einem
Zeitpunkt t₁ die Zylinderabschaltung durch Unterschreiten der
Kennlinie WDK1 gestartet, so wird für eine applizierbare Zeit
T_DKOF2 zum Drosselklappensollwert WDK_ZAS0 ein Offset DKOF2
addiert. Nach Ablauf dieser Zeitspanne T_DKOF2 wird dann für die
gesamte Dauer der Zylinderabschaltung auf den korrigierten Soll
wert WDK_ZAS1 umgeschaltet. Wird anschließend die Zylinderab
schaltung ab einem Zeitpunkt t2 durch Überschreiten der Kenn
linie WDK2 wieder deaktiviert, so wird für eine applizierbare
Zeit T_DKOF1 vom Drosselklappensollwert WDK_ZAS0 ein Offset
DKOF2 subtrahiert. Nach Ablauf dieser Zeitspanne T_DKOF1 wird
anschließend wieder auf den ursprünglichen Sollwert WDK_ZAS0
zurückgeschaltet. Die applizierbaren Zeiträume T_DKOF1, T_DKOF2
und die Offsetwerte für den Drosselklappensollwert WDK_soll
können in Abhängigkeit von der Drehzahl n vorgegeben werden. Die
Differenz zwischen den Sollwerten WDK_ZAS0 und WDK_Zas1 dient
also zum stationären Momentenausgleich, während der Offset DKOF1
beziehungsweise DKOF2 eine schnellere Saugrohrentleerung
beziehungsweise -befüllung bewirkt.
Zusätzlich zur Luftmengenkorrektur kann zur Verhinderung eines
Drehmomentsprunges auch eine Zündwinkelkorrektur vorgenommen
werden. Insbesondere bei der Zylinderzuschaltung kann das Motor
drehmoment durch eine gezielte Verschlechterung des Zündwinkels
über einen vorgegebenen Zeitraum reduziert werden. Die Zünd
winkelkorrektur hat den Vorteil, daß sie im Vergleich zur Luft
mengenkorrektur, bei der eine gewisse Totzeit zwischen einer
Winkeländerung an der Drosselklappe und dem sich am Zylinder
einstellenden Luftmassenstrom auftritt, einen schnelleren
Einfluß auf das Motordrehmoment hat. Durch eine weitere
Korrektur kann schließlich noch die Kraftstoffmenge beim
Umschaltvorgang angepaßt werden, wobei die Wandfilmeffekte im
abzuschaltenden Zylinder und dem zugehörigen Saugrohr berück
sichtigt werden. Bei der Zylinderzuschaltung wird hierzu ein
temperaturabhängiger Wandfilmzuschlag ermittelt und zur
Einspritzmenge des ersten Einspritzvorganges addiert.
Entsprechend kann der letzte Einspritzvorgang vor der
Zylinderabschaltung korrigiert werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Verfahren zur Zylinderabschaltung wird nun anhand von Fig. 8
näher beschrieben. Aufgetragen sind die Ventilsteuerzeiten eines
Sechszylinder-Motors. Die Ventilsteuerzeiten der abzuschaltenden
Zylinder Z4, Z6, Z5 sind schraffiert dargestellt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind alle Einlaßventile der zu schaltenden
Zylinder Z4 - Z6 mit einer ersten Abschalteinrichtung 27a und
alle Auslaßventile mit einer zweiten Abschalteinrichtung 27b
versehen. Mit dieser Konstellation ist es möglich, durch geeig
nete Wahl der Schaltfenster die Reihenfolge der schaltenden
Zylinder festzulegen. Eingezeichnet in Fig. 8 sind die drei
Schaltfenster1-3 für die Umschaltung der Auslaßventile. Erfolgt
die Umschaltung in Schaltfenster1, so erfolgt die Zylinderab
schaltung in der Reihenfolge Z5 - Z4 - Z6. Dies liegt daran, daß
zu Beginn des Schaltfensters1 die Auslaßventile an den Zylindern
Z4 und Z6 noch geöffnet sind beziehungsweise schon öffnen und
daher aufgrund des Kraftschlußes am Bolzen 13 nicht aus der
Koppelstellung gelangen können. Daher ist das Auslaßventil ALV5
das erste Auslaßventil, daß aus dem Koppelzustand gelangen kann.
In den beiden anderen Schaltfenstern2-3 ist die Reihenfolge der
Zylinder zyklisch vertauscht, wobei die Auslaßventile bei einem
Schaltvorgang im Schaltfenster2 in der Reihenfolge ALV4 - ALV6 -
ALV5 und im Schaltfenster3 in der Reihenfolge ALV6 - ALV5 - ALV4
deaktiviert werden. Der Schaltvorgang erfolgt analog zum ersten
Ausführungsbeispiel wiederum in der Mitte des jeweiligen Schalt
fensters. Auch das Timing für die Ansteuerung des 3/2-Wege-Ventils
20 entspricht dem oben beschriebenen.
Für die Einlaßventile können entsprechende Schaltfenster er
mittelt werden, wobei diese jedoch aus Gründen der Übersicht
lichkeit in Fig. 8 nicht eingetragen sind. Die Lage der Schalt
fenster bezogen auf den Überschneidungs-OT des ersten schalten
den Zylinders wird ermittelt nach den Formeln:
Schaltfenster-Mitte Einlaß = -EB - 120° KW
Schaltfenster-Mitte Auslaß = -AB - 300° KW
Schaltfenster-Mitte Auslaß = -AB - 300° KW
mit: EB = Einlaßbeginn (Betrag) in °KW vor OT bei 0 mm Ventilhub,
AB = Auslaßbeginn (Betrag) in °KW vor UT bei 0 mm Ventilhub,
wobei in der Formel ein positives Vorzeichen einem Kurbelwinkel nach und ein negatives Vorzeichen einem Kurbelwinkel vor dem Überschneidungs-OT entspricht.
AB = Auslaßbeginn (Betrag) in °KW vor UT bei 0 mm Ventilhub,
wobei in der Formel ein positives Vorzeichen einem Kurbelwinkel nach und ein negatives Vorzeichen einem Kurbelwinkel vor dem Überschneidungs-OT entspricht.
Claims (5)
1. Verfahren zum Ab- und Zuschalten von einzelnen Zylindern
einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit zumindest einem Einlaß-
und mindestens einem Auslaßventil pro Zylinder und mit einer
Vorrichtung zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzung,
wobei beim Ab- beziehungsweise Zuschalten eines ausgewählten
Zylinders die Gaswechselventile des besagten Zylinders mit Hilfe
einer Abschalteinrichtung deaktiviert beziehungsweise aktiviert
werden und die Kraftstoffeinspritzung in besagtem Zylinder in
Abhängigkeit des Betriebszustandes der Gaswechselventile
deaktiviert beziehungsweise aktiviert werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Umschalten des besagten Zylinders (Zi) die Aktivierung
beziehungsweise Deaktivierung der Ein- und Auslaßventile (2)
derart zeitlich gesteuert erfolgt, daß die Abschaltung des
besagten Zylinders (Zi) nach einem Ansaugtakt (ELVi) und die
Zuschaltung des besagten Zylinders (Zi) vor einem Auslaßtakt
(ALVi) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß für die Abschalteinrichtung (27) ein Kurbelwellenwinkel (WSFM1, WSFM2) relativ zu einer Referenzmarke an der Kurbel beziehungsweise Nockenwelle, an dem der Umschaltvorgang starten soll, vorgegeben wird,
- - daß eine Schaltzeit (AbsZ1, AbsZ2) der Abschalteinrichtung (27) in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermittelt wird,
- - daß beim Vorliegen eines Umschaltsignals die Schaltzeit (AbsZ1, AbsZ2) und der Kurbelwellenwinkel (WSFM1, WSFM2) zum aktuellen Kurbelwellenwinkel addiert werden,
- - daß ausgehend von diesem Kurbelwellenwinkel die nächstfolgende Referenzmarke ermittelt und daraus durch Subtraktion des Kurbelwellenwinkels (WSFM1, WSFM2) und der Schaltzeit (AbsZ1, AbsZ2) der Schaltzeitpunkt (SZP1, SZP2) für die Abschalt einrichtung (27) berechnet wird, und
- - daß bei Erreichen des Schaltzeitpunktes (SZP1, SZP2) die Umschalteinrichtung (27) aktiviert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ein- und Auslaßventile (2) zumindest eines Zylinders
(Zi) der Mehrzylinderbrennkraftmaschine, die jeweils eine nur
außerhalb der Ventilerhebungskurven schaltbare Koppelvorrichtung
(25) aufweisen, durch eine gemeinsame Abschalteinrichtung (27)
betätigt werden, und daß die Abschalteinrichtung (27) bei
Vorliegen eines Umschaltsignals zu einem Zeitpunkt (SZP1, SZP2)
aktiviert wird, an dem in Bezug auf den ersten zu schaltenden
Zylinder (Zi) alle zu schaltenden Einlaßventile (2) den
jeweiligen Einlaßtakt (ELVi) des vorherigen Arbeitstaktes
zumindest begonnen haben und der gewährleistet, daß der
Koppelvorgang am Auslaßventil (2) des ersten zu schaltenden
Zylinders (Zi) vor Beginn des Auslaßtaktes (ALVi) dieses
Zylinders (Zi) abgeschlossen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ein- und Auslaßventile (2) mehrerer Zylinder (Zi) der
Mehrzylinderbrennkraftmaschine, die jeweils eine nur außerhalb
der Ventilerhebungskurven schaltbare Koppelvorrichtung (25)
aufweisen, durch jeweils eine gemeinsame Abschalteinrichtung
(27) betätigt werden, und daß die Abschalteinrichtungen (27) bei
Vorliegen eines Umschaltsignals zu einem Zeitpunkt (SZP1, SZP2)
aktiviert werden, an dem in Bezug auf den ersten zu schaltenden
Zylinder (Zi) alle zu schaltenden Einlaß- beziehungsweise
Auslaßventile (2) den jeweiligen Einlaß- beziehungsweise
Auslaßtakt (ELVi, ALVi) des vorherigen Arbeitstaktes zumindest
begonnen haben und der gewährleistet, daß der Koppelvorgang am
Einlaß- beziehungsweise Auslaßventil (2) des ersten zu
schaltenden Zylinders (Z) vor Beginn des Einlaß- beziehungsweise
Auslaßtaktes (ALVi) dieses Zylinders (Zi) abgeschlossen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffeinspritzung des besagten Zylinders (Zi) in
Abhängigkeit vom Zustand der Zylinderabschaltung (ZAS0, ZAS1)
derart deaktiviert beziehungsweise aktiviert wird, daß exakt zu
jedem Ansaugvorgang des zumindest einen Einlaßventils (ELVi)
eine zugehörige Kraftstoffeinspritzung erfolgt.
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