DE19961611A1 - Verfahren zur Erzeugung von Unterdruck - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zur Erzeugung von Unterdruck im Ansaugsystem einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere einem entdrosselten, direkteinspritzenden Ottomotor. Der Unterdruck dient zur Versorgung von Unterdruckverbrauchern, insbesondere eines Bremssystems, in einem Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine wird bei Bedarf an Unterdruck kurzzeitig mit gedrosselter Ansaugluft betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Unterdruck im Ansaugsystem einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, daß bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Ottomo­ toren mit Saugrohreinspritzung bzw. Quantitätssteue­ rung, in den meisten Betriebszuständen die Ansaugluft der Brennkraftmaschine gedrosselt wird. Damit ist ein Unterdruck in dem Saugrohr bzw. in dem Ansaugsystem vorhanden, welcher zum Betrieb von verschiedenartigen Unterdruckverbrauchern genutzt wird. Neben diversen Schaltventilen, Stellgliedern, einer Leuchtweitenregu­ lierung der Scheinwerfer oder einer Betätigung der Zentralverriegelung ist der primäre und wichtigste Unterdruckverbraucher üblicherweise ein Bremskraftver­ stärker.

Um die Verbrauchsnachteile der Ottomotoren mit Saug­ rohreinspritzung, insbesondere im Teillastbetrieb, zu verringern, werden zunehmend entdrosselte, also mit Luftüberschuß betriebene Motoren eingesetzt, welche sich einer Kraftstoff-Direkteinspritzung oder einer variablen Ventilsteuerung bedienen.

Eine der Eigenschaften von solchen Motoren ist es, daß im Teillastbetrieb in dem Ansaugsystem nur sehr wenig Unterdruck vorhanden ist, da die hier normalerweise trotzdem vorhandene Drosselklappe oder eine ähnliche Drosseleinrichtung sehr weit geöffnet ist. Die Versor­ gung der Unterdruckverbraucher, insbesondere eines Unterdruckspeichers für den Bremskraftverstärker, läßt sich dabei nicht mehr gewährleisten. Um jedoch ausrei­ chend Unterdruck, insbesondere für den sicherheitsre­ levanten Bremskraftverstärker, bereitzustellen, muß eine zusätzliche Unterdruckpumpe eingesetzt werden. Diese zusätzliche Unterdruckpumpe kann entweder eine motorunabhängige Unterdruckpumpe oder eine motorabhän­ gige Unterdruckpumpe, wie z. B. eine Saugstrahlpumpe, sein, wie sie aus dem Bereich der Dieselmotoren be­ kannt ist. Jede dieser zusätzlichen Unterdruckpumpen verursacht jedoch Kosten, benötigt Bauraum und die für sie erforderliche Antriebsleistung muß meist unabhän­ gig vom tatsächlichen Unterdruckbedarf der entspre­ chenden Verbraucher aufgebracht werden.

Aus der DE 195 03 568 A1 ist eine quantitätsgesteuerte Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher in einem Bypass eine derartige motorabhängige Unterdruckpumpe, nämlich eine Saugstrahlpumpe, zur Sicherung der Unter­ druckversorgung der genannten Unterdruckverbraucher angeordnet ist.

Auch die DE 27 17 685 B2 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Saugstrahlpumpe zur Erzeugung des benötigten Unterdrucks in einer Umluftleitung.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Unterdruck ist in der DE 33 24 890 A1 beschrieben. Hierbei über­ nimmt einer der Zylinder die Funktion der Unterdruck­ pumpe, womit sich zumindest ein aufwendiges, zusätzli­ ches Nebenaggregat einsparen läßt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeu­ gung von Unterdruck im Ansaugsystem einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine, insbe­ sondere eines entdrosselten, direkteinspritzenden Ot­ tomotors, zu schaffen, welches ohne zusätzliche Nebe­ naggregate auszukommen vermag und welches nur in den Fällen einen Energiebedarf verursacht, in denen tat­ sächlich Unterdruck von den Unterdruckverbrauchern benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Da auch bei entdrosselten Brennkraftmaschinen bzw. Motoren in der Regel eine Drosseleinrichtung, wie z. B. eine Drosselklappe, vorhanden ist, weil diese für be­ stimmte Motorbetriebszustände sowieso benötigt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise auf diese ohnehin vorhandene Drosseleinrichtung zurückgreifen und benötigt so keinen zusätzlichen Bau­ raum und keine zusätzlichen angetriebenen Elemente.

Durch diese vorhandene Drosseleinrichtung wird die Brennkraftmaschine bei einem Bedarf an Unterdruck kurzzeitig mit gedrosselter Ansaugluft betrieben. Da­ mit steigt zwar bei gleichbleibender geforderter Ab­ triebsleistung der Brennkraftmaschine kurzzeitig der Kraftstoffverbrauch an, dieser gesteigerte Verbrauch ist jedoch auf die Zeit, in welcher der Unterdruck benötigt wird, begrenzt.

Die zumindest im Teillastbereich mit Luftüberschuß, also entdrosselt, betriebene Brennkraftmaschine wird dabei während des Bedarfs an Unterdruck kurzzeitig wie eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit Saugrohrein­ spritzung betrieben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Brennkraftma­ schine mit einem System zur Erzeugung von Un­ terdruck, welcher zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsmöglichkeit des Prinzipschaltbilds des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.

In Fig. 1 ist eine prinzipmäßig angedeutete Brenn­ kraftmaschine 1 dargestellt, welche ein Ansaugsystem 2 bzw. Ansaugrohr 2 mit einer Drosseleinrichtung 3, hier einer Drosselklappe 3, aufweist. Weiterhin sind die prinzipmäßig angedeuteten Abgasauslässe 4 erkennbar, welche jedoch für die Erfindung nicht weiter von Be­ deutung sind.

Von dem Ansaugrohr 2 führt ein Leitungselement 5 zu einem Unterdruckspeicher 6. Neben diesem Unterdruck­ speicher 6, welcher zur Versorgung eines Bremssystems 7 bzw. eines Bremskraftverstärkers 7 für ein mit der Brennkraftmaschine betriebenes Kraftfahrzeug mit Un­ terdruck dient, können von dem Leitungselement 5 wei­ tere Leitungselemente 5a, 5b zu weiteren Unterdruck­ verbrauchern 8a, 8b, wie z. B. einer Zentralverriege­ lung, diversen Schaltventilen, Stellgliedern oder ei­ ner Leuchtweitenregulierung der Scheinwerfer, führen. Für diese im allgemeinen nicht sicherheitsrelevanten Unterdruckverbraucher wird teilweise kein eigener Un­ terdruckspeicher eingerichtet.

In dem Unterdruckspeicher 6 ist ein Drucksensor 9 an­ geordnet, welcher über eine Meßleitung 9' mit einem Steuergerät 10 verbunden ist.

Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine zumindest im Teillastbetrieb entdrosselt betriebene Brennkraftmaschine 1, wie z. B. einen direkteinsprit­ zenden Ottomotor. Die Drosselklappe 3 in dem Ansaug­ rohr 2 ist dabei auch bei einer solchen Brennkraftma­ schine 1 vorhanden, da Betriebszustände auftreten kön­ nen, die einen gedrosselten Betrieb, also einen Be­ trieb bei einem Luftverhältnis von wenigstens annä­ hernd λ = 1 erforderlich machen. Einer dieser Be­ triebszustände bei λ = 1, welcher eine Drosselung der Ansaugluft für die Brennkraftmaschine 1 erforderlich macht, ist z. B. dann gegeben, wenn von Zeit zu Zeit eine Regeneration eines Stickoxid-Katalysators 11, welcher sich an die Abgasauslässe 4 anschließt, erfor­ derlich wird. Ein weiterer Einsatzfall für die Drosse­ leinrichtung 3 liegt beispielsweise beim Betrieb mit Abgasrückführung vor, da hier ein gewisser Unterdruck im Ansaugrohr 2 erforderlich ist, um einen Übertritt von Abgas aus einem der Abgasauslässe 4 in das Ansaug­ rohr 2 zu ermöglichen.

Meldet nun der Drucksensor 9 in dem Unterdruckspeicher 6 ein Absinken des erforderlichen Unterdrucks in dem Unterdruckspeicher 6, also physikalisch eine entspre­ chende Druckerhöhung in dem Unterdruckspeicher 6, dann wird dies über die Meßleitung 9' von dem Steuergerät 10 erfaßt. Das Steuergerät 10 gibt dann direkt oder indirekt ein Auslösesignal, das hier durch einen Pfeil 12 angedeutet ist, zu der Drosseleinrichtung 3, so daß beim Unterschreiten eines Minimalwerts in dem Unter­ druckspeicher 6 die Brennkraftmaschine 1 zwangsweise in die Betriebsart "Drosselbetrieb", also in einen Betrieb bei λ = 1, umgeschaltet wird. Damit läßt sich dann im Ansaugrohr 2 das gleiche Unterdruckniveau er­ reichen, wie dies bei einem vergleichbaren Saugroh­ reinspritzmotor möglich wäre. Die Ermittlung des Aus­ lösesignals (Pfeil 12), hier an dem Beispiel Bremssy­ stem 7, kann dabei auf verschiedenen Wegen erfolgen.

In Fig. 2 ist in einem Prinzipschaltbild dargestellt, wie ein Motorsteuergerät 10a direkt über den Drucksen­ sor 9 die kritische Überschreitung des Unterdruckni­ veaus in dem Druckspeicher 6 bzw. dem Bremssystem 7 ermittelt und direkt eine Beeinflussung der Drossel­ klappe 3, also ein Drosseln der Ansaugluft der Brenn­ kraftmaschine 1 verursacht.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung erkennbar, bei welcher neben dem Motorsteuergerät 10a außerdem ein Bremssteuergerät 10b oder ähnliches vorhanden ist. Die Signale des Drucksensors 9 werden dabei von dem Bremssteuergerät 10b, welches z. B. ein Teil einer elektronischen Stabilitätskontrolle (ESP) sein kann, erfaßt. Das Bremssteuergerät 10b gibt dem Motorsteuer­ gerät 10a dann die entsprechende Meldung weiter, die Drosselklappe 3 entsprechend zu beeinflussen. Das Steuergerät 10 kann dabei sowohl das Motorsteuergerät 10a als auch das Bremssteuergerät 10b enthalten.

Die Umschaltstrategie vom entdrosselten Betrieb auf den Drosselbetrieb kann dabei in Abhängigkeit des Drucks in dem Verbraucher bzw. in dem Unterdruckspei­ cher 6 erfolgen. Dabei kann das Steuergerät 10 jedoch zwischen zwei grundlegenden Strategien zur Durchfüh­ rung des Verfahrens entscheiden. Handelt es sich bei der Unterschreitung des Sollwertes, also der Über­ schreitung des Druckwertes in dem Unterdruckspeicher 6, nur um eine geringe Überschreitung, so kann vor dem Umschalten der Brennkraftmaschine 1 in den Drosselbe­ trieb ein Vergleich mit dem Zeitpunkt eines nächsten geplanten Drosselbetriebs, z. B. zur Regeneration des Katalysators, erfolgen. Steht dieser Zeitpunkt an, bevor der zu erwartende Druckanstieg so groß wird, daß eine einwandfreie Funktionsweise der Bremse nicht mehr sichergestellt ist, so kann mit dem Umschalten in den Drosselbetrieb abgewartet werden, bis dieses Umschal­ ten zur Regeneration des Katalysators 11 ohnehin er­ forderlich gewesen wäre.

Erfolgt jedoch eine starke Überschreitung des Druck­ wertes in dem Unterdruckspeicher 6, so veranlasst das Steuergerät 10 ein sofortiges Umschalten der Brenn­ kraftmaschine 1 in den Drosselbetrieb, da der benötig­ te Unterdruck für die sichere Funktion des Bremssy­ stems 7 dann unerläßlich ist.

Das Verfahren zur Erzeugung von Unterdruck stellt da­ mit sicher, daß, wann immer erforderlich, ein ausrei­ chender Unterdruck für die Unterdruckverbraucher, wie z. B. das Bremssystem 7, zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei ist lediglich bei einem konkreten, durch den Drucksensor 9 ermittelten Bedarf an Unterdruck, ein Mehrenergieeinsatz seitens der Brennkraftmaschine 1 zur Erzeugung des gewünschten Unterdrucks notwendig.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit dem Luftver­ hältnis von λ = 1 wird bei gleichbleibender Abtriebs­ leistung der Brennkraftmaschine 1 zwar die Kraftstoff­ zufuhr erhöht bzw. die Luftzufuhr gedrosselt, wodurch kurzzeitig zur Erzeugung des gewünschten Unterdrucks ein erhöhter Kraftstoffbedarf in Kauf genommen werden muß. Dieser erhöhte Kraftstoff- bzw. Energiebedarf läßt sich jedoch auf den Zeitraum, in welchem der Un­ terdruck benötigt wird, beschränken bzw. gegebenen­ falls mit dem für die Regeneration des Katalysators ohnehin erforderlichen Mehreinsatz an Kraftstoff zeit­ gleich abdecken.

Außerdem kann in dem Ansaugsystem der Brennkraftma­ schine 1 ein weiterer Saugrohrdrucksensor 13 vorhanden sein, welcher in Fig. 2 und Fig. 3 prinzipmäßig ange­ deutet ist. Dieser Saugrohrdrucksensor 13 kann dabei zur Diagnose und zu Fehlererkennungszwecken genutzt werden. Dafür muß lediglich eine geeignete physikali­ sche Abhängigkeit zwischen den Druckzuständen in dem Unterdruckspeicher 6 bzw. bei den Verbrauchern und zwischen dem Druck in dem Ansaugrohr 2 definiert wer­ den. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob ein Abfall des Unterdrucks aufgrund einer beschädigten Verbindungsleitung 5 oder des Bremsunterdruckspeichers 6 verursacht wird.

Über das Motorsteuergerät 10a könnte dann ein Notfall­ signal, welches den Betreiber des Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine 1 z. B. über den Ausfall der Brems­ verstärkung informiert und ihn zum sofortigen Stoppen veranlaßt, ausgelöst werden bzw. auf einen Notfallbe­ trieb umgeschaltet werden, falls dies möglich ist.

Dazu ließe sich z. B. die Tatsache nutzen, daß es Be­ triebszustände gibt, in denen der Druck im Bremssystem 7 und damit in dem Unterdruckspeicher 6 und in dem Ansaugrohr 2 identisch ist. Dies ist z. B. vor dem Fahrzeugstart, also wenn das System noch "leer" ist, der Fall. Damit ließen sich die beiden Sensoren 9, 13 zueinander kalibrieren, so daß beim Nichtfunktionieren eines dieser beiden Sensoren 9, 12 in einen Notbetrieb umgeschaltet werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung von Unterdruck im Ansaug­ system einer mit Luftüberschuß betriebenen Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einem entdrosselten, direkteinspritzenden Ottomotor, zur Versorgung von Unterdruckverbrauchern, insbesondere eines Brems­ systems in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) bei einem Bedarf an Unterdruck kurzzeitig mit gedrosselter Ansaugluft betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) während des Bedarfs an Unterdruck mit einem Luftverhältnis von wenigstens annähernd λ = 1 betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck in einem Unterdruckspeicher (6) für Nebenverbraucher (Bremssystem 7) zwischengespei­ chert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremssystem (7) über den Unterdruckspeicher (6) versorgt wird, während die anderen Unterdruck­ verbraucher zumindest teilweise direkt mit dem in dem Bereich des Ansaugsystems (2) erzeugten Unter­ druck versorgt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (9) in dem Unterdruckspeicher (6) beim Überschreiten eines festgelegten Druckwerts einen erneuten Bedarf an Unterdruck meldet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (10) bei gemeldetem Unterdruckbe­ darf ermittelt, zu welchem Zeitpunkt eine Nach­ speisung von Unterdruck in den Unterdruckspeicher (6) benötigt wird, und daß bei nicht ausreichender Unterdruckreserve zum Aufrechterhalten der Funkti­ on der Unterdruckverbraucher (7, 8a, 8b), insbeson­ dere des Bremssystems (7), die Brennkraftmaschine (1) zur Erzeugung von Unterdruck zeitlich unmit­ telbar mit gedrosselter Ansaugluft betrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (10) bei gemeldetem Unterdruckbe­ darf ermittelt, zu welchem Zeitpunkt eine Nach­ speisung von Unterdruck in den Unterdruckspeicher (6) benötigt wird, und daß bei ausreichender Un­ terdruckreserve zum Aufrechterhalten der Funktion der Unterdruckverbraucher (7, 8a, 8b), insbesondere des Bremssystems (7), zur Erzeugung von Unter­ druck, ein Betrieb der Brennkraftmaschine (1) mit gedrosselter Ansaugluft während einer Regenerie­ rung eines Stickoxydkatalysators (11) abgewartet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in dem Ansaugsystem vorhandenes Saugrohrdruck­ sensor (13), zur Kontrolle der Funktion des Druck­ sensors (9) in dem Unterdruckspeicher (6) genutzt wird.