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Die vorliegende Neuerung betrifft Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb, insbesondere ein Motorsteuerungssystem für einen Motor mit Zylinderab- bzw. Zuschaltung.
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Manche Verbrennungsmotoren umfassen Motorsteuerungssystem, die in Situationen mit niedriger Last Zylinder abschalten. Beispielsweise kann ein 8-Zylindermotor unter Verwendung von vier Zylindern betrieben werden. Die Zylinderabschaltung verbessert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, indem Pumpverluste verringert werden.
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Beim Übergang zwischen zugeschalteten und abgeschalteten Betriebsarten soll ein glatter Übergang hergestellt werden. Der Übergang zwischen „Normalbetrieb” und Betrieb mit Zylinderabschaltung soll für den Fahrer möglichst nicht bemerkbar sein. Hierfür ist es beispielsweise aus der
DE 103 22 512 B4 bekannt den Zündzeitpunkt zu verzögern um den Übergang zu glätten.
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Allerdings tritt hier immer noch das Problem auf, dass es zu ungewollten Anregungen kommen kann, wenn einzelne Zylinder abgeschaltet werden, da die Zündungen nicht gleichmäßig verteilt sind. So werden bspw. bei einem 4-Zylindermotor die beiden inneren Zylinder abgeschaltet, was zu entsprechenden Schwingungen im Antriebsstrang oder in Teilen hiervon führen kann. Es entstehen niedrige Grundordnungen der Anregung. Wird beispielsweise beim 3-Zylinder-Motor ein Zylinder abgeschaltet, entsteht eine 0,5. Ordnung als Grundordnung der Harmonischen. Diese Anregung ist dabei vom Fahrer deutlich wahrnehmbar, was die Akzeptanz der Zylinderabschaltung zumindest verringert.
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Die Aufgabe der Neuerung besteht daher darin die beschriebenen Probleme aus dem Stand der Technik wenigstens zu verringern.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäße eines gattungsgemäßen Motorsteuerungssystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, welches eine Zylinderansteuerung umfasst wird, die die Zylinder des Motors in Abhängigkeit von einer Betriebsart des Motorsteuersystems ansteuert. Hierbei soll der Motor vorzugsweise in Abhängigkeit von der Last in wenigstens zwei Betriebsarten betrieben werden können.
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In einer ersten Betriebsart kann der Motor dabei mit allen Zylindern betrieben werden. In einer zweiten vorgesehen Betriebsart ist es dann vorgesehen, dass wenigstens ein Zylinder des Motors von der Zylindersteuerung abgeschaltet wird, indem er nicht gezündet wird.
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Ein Abschalten bedeutet hier nur, dass der Zylinder zumindest zu dem Zeitpunkt, in dem er während der ersten Betriebsart gezündet worden wäre gerade nicht gezündet wird. Zu einem nächsten Zeitpunkt, d. h. in einer weiteren Periode der Nockenwelle kann der Zylinder dann erneut gezündet werden.
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Es ist dabei vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Periode unterschiedliche Zylinder des Motors von der Zylindersteuerung zumindest für diese Periode abgeschaltet werden.
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Besonders bevorzugt wird das Motorsteuerungssystem für einen Motor mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern, mindestens aber 3 Zylindern vorgesehen. Hierbei ist es auf einfache weise möglich alternierend, hier dann permutierend auf Grund der ungeraden Anzahl von Zylindern die einzelnen Zylinder alle abwechselnd ein- bzw. auszuschalten.
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Hierzu kann noch ausgeführt werden, dass es insgesamt erfinderisch auch möglich und vorgesehen ist direkt einen Motor mit einem Motorsteuerungssystem mit einem der hier aufgeführten Merkmale zu verwenden um die oben genannte Aufgabe zu lösen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Zylindersteuerung so ausgebildet ist, dass im Mittel alle Zylinder des Motors gleich häufig abgeschaltet werden, wobei bevorzugt ein in einer Periode abgeschalteter Motor in einer darauf folgenden Periode wieder zugeschaltet, d. h. gezündet wird. Wenn also die Nockenwelle und damit auch die Kurbelwelle über einen langen Zeitraum mehrmals rotiert ist, d. h. dass eine so große Anzahl von Rotationen stattgefunden haben, so sollen im Mittel alle Zylinder des Motors gleich häufig gezündet haben.
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Neuerungsgemäß kann die Zylindersteuerung so ausgestaltet sein, dass die Zylinder gemäß einer Zündfolge gezündet werden. Eine Zündfolge beschreibt hierbei die Reihenfolge der gezündeten und nicht gezündeten, d. h. der zu- und abgeschalteten Zylindern, wobei von einer eindeutigen Zuordenbarkeit der Zylinder ausgegangen wird. Die Zylinder des Motors können beispielsweise als erster, zweiter, dritter, vierte, fünfter usw. Zylinder des Motors bezeichnet werden. Die Zündfolge gibt dann dementsprechend an, welcher Zylinder nach welchem gezündet oder gerade nicht gezündet werden soll.
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Bezogen auf die Umdrehung der Nockenwelle erstreckt sich die Zündfolge dabei vorteilhafterweise über mehrere Perioden bevor sie wiederholt wird. Hierfür kann die Zylindersteuerung eine entsprechende Anweisung enthalten welche Zylinder in welcher Umdrehung (Periode) der Nockenwelle gezündet werden und welche nicht. Vorteilhafterweise ist hierfür weiter vorgesehen, dass die Zündfolge bereits so ausgebildet ist, dass in einer Zündfolge alle Zylinder gleich häufig gezündet und/oder nicht gezündet werden.
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Auf diese Weise ergibt sich ein wiederholendes Muster von gezündeten und nicht gezündeten Zylindern, wobei eine zeitliche Abfolge der Zylinder zum zünden und nicht zünden vorgegeben ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand von zündenden und/oder nicht zündenden Zylindern innerhalb der Zündfolge konstant ist. Hierunter ist insbesondere der Fall zu verstehen, dass die Anzahl von nicht zündenden Zylinder in der Zündfolge zwischen zwei zündenden Zylindern immer gleich groß bleibt und/oder die Anzahl von zündenden Zylindern zwischen zwei nicht zündenden Zylinder gleich groß bleibt. Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen zwei Zündenden Zylindern genauso viele nicht zündende Zylinder sind wie zündende Zylinder zwischen zwei nicht zündenden.
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Besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Kombination von einer ungeraden Zylinderanzahl des Motors mit dem Abstand von einem jeweils einem zündenden/nicht zündenden Zylindern ergeben. D. h. ein erster Zylinder 1 wird gezündet, worauf ein zweiter nicht zündender Zylinder 2 folgt, auf den wieder ein zündender Zylinder 3 folgt, auf den ein nicht zündender Zylinder 4 und ein zündender Zylinder 5 folgt. Bei einem Motor mit 5 Zylindern folgt dann ein nicht zündender Zylinder 1 der zweiten Periode. Auf diese weise wird offensichtlich für ungerade Zylinderzahlen bereits nach zwei Umdrehungen der Nockenwelle bereits eine Zündfolge erreicht, bei der alle Zylinder einmal gezündet und einmal nicht gezündet haben.
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Bei solch einer rollierenden Zylinderabschaltung werden nicht immer die gleichen Zylinder abgeschaltet. Die abgeschalteten Zylinder ändern sich von Zyklus zu Zyklus, d. h. von Periode zu Periode, z. B. bei einem 3 Zylinder Motor würde man folgende Zündfolge erhalten: 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3. Wobei die unterstrichenen Zahlen wahlweise einen zündenden oder nicht zündenden Zylinder kennzeichnen können. Dadurch kann man bei 3 Zylindern eine äquidistante Zündfolge erreichen, so dass anstelle einer ungünstigen 0,5. Ordnung der Anregung, wie sei bei Ausschalten eines fest vorgegebenen Zylinders auftreten würde eine 0,75. als niedrigste (Grund-)Ordnung entsteht. Als zusätzlicher Vorteil wird ein 3-Zylindermotor dadurch praktisch zu einem 1.5-Zylinder-Motor, was den Kraftstoffverbrauchsvorteil und das Anregungsbild angeht. Daraus resultiert dann zusätzlich zur besseren Noise Vibration Harshness (NVH) ein nochmals höheres Einsparpotential des Kraftstoffs. Neuerungsgemäß wird so für einen Motor mit einer ungeraden Zylinderanzahl von m = n – 1 Zylindern im Teillastbetrieb ein Motor mit praktisch m/2 Zylindern im Gegensatz zum bisherigen Ausschalten nur eines oder mehrerer festgelegter Zylinder, die vergleichbar in n/2 Zylinder resultieren würden.
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Um entsprechend Treibstoff zu sparen und ein gleichmäßiges Ansteuern der Zylinder zu unterstützen und so die NVH zu verbessern ist weiter vorgesehen, dass innerhalb der Zündfolge eines Musters in der zweiten Betriebsart nur halb so viele Zylinder gezündet werden, wie in einer gleichlangen Zündfolge der ersten Betriebsart.
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Um die NVH zu verbessern ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Muster der Zündfolge so gewählt ist, dass sich eine Anregung des Antriebsstrangs oder zumindest Teile davon von der Ordnung 0,75 als niedrigste (Grund-)Ordnung ergibt.
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Selbstständiger Schutz wird weiterhin für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Motor mit wenigstens drei Zylindern, einer oben beschriebenen Motorsteuerung zur Durchführung eines neuerungsgemäßen Verfahrens und einer Drehmomentübertragungsvorrichtung beansprucht. Um die NVH weiter zu verbessern kann die Drehmomentübertragungsvorrichtung dabei weitere Dämpfungselemente vorzugsweise ein Zweimassenschwungrad aufweisen. Bei der Drehmomentübertragungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Kupplungsorgan handeln.
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Bei einer Zylinderabschaltung, wie sie hier beschrieben ist, kann die verbrannte Ladung bevorzugt im Zylinder behalten werden, d. h. die Auslassventile müssen zeitlich vor den Einlassventilen abgeschlossen werden. Der jeweilige Zylinder agiert dann als Luftfeder mit der verbrannten Ladung. Ein besonderer Vorteil ist dann darin zu sehen, dass es nicht zu Ladungswechselverlusten kommt.
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Alternativ könnte die verbrannte Ladung auch aus dem Zylinder entfernt werden, so dass der Zylinder dann ohne Ladung rotieren würde, weiter alternativ könnte der Zylinder auch bereits neue Ladung erhalten, nachdem die alte entfernt wurde und dann zumindest einmal ohne Zündung mit der neuen Ladung rotieren ohne zu zünden.
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Für die Zylinderabschaltung nach dem Stand der Technik musste zunächst eine bestimmte Kühlwassertemperatur abgewartet werden, da es sonst zu Rohemission auf Grund der deutlich schlechteren Verbrennung des Zylinders kommen würde. Dieses ist für die rollierenden Zylinderabschaltung nicht mehr notwendig, da keine kalten Zylinder als solche existieren, jeder einzelne Zylinder ist hier gleichberechtigt.
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Weiter kann es neuerungsgemäß vorgesehen sein, dass die rollierende Zylinderabschaltung nur für Geschwindigkeit größer als ein vorgegebener Grenzwert bevorzugt größer Null aktiviert werden kann. Im Leerlauf ist dann nicht mit ungewünschten Vibrationen oder Geräuschen zu rechnen.
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Ausführungsbeispiele des neuerungsgemäßen Verfahrens, auf das die Neuerung nicht beschränkt ist, und aus denen sich noch weitere neuerungsgemäße Merkmale ergeben können sind in den folgenden Figuren gezeigt:
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1 eine Zündfolge mit Austausch des Abgases,
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2 eine Zündfolge mit ausgetauschtem Abgas und komprimierter neuer Ladung,
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3 eine Zündfolge mit komprimiertem leeren Zylinder.
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Die 1 veranschaulicht die Zündungen und Nicht-Zündungen der einzelnen Zylinder 1, 2, 3 eines hier nicht dargestellten Motors. Es handelt sich hierbei um einen Dreizylindermotor. Die Bewegungsabläufe der drei Zylinder 1, 2, 3 sind dabei übereinander durch Kurven 4, 5, und 6 dargestellt. In der Kurve 4 werden die Zündungen des Zylinders 1 durch Blitzsymbole 7 dargestellt, während die Zündungen der Zylinder 2 und 3 durch die Zeichenfolge ZOT 8 dargestellt werden.
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Nach einer Zündung des Zylinders 1 an einer Position 9 kommt es zu einer Umdrehung des Kolbens des Zylinders, welche durch eine entsprechende Sinus-Form der Kurve 4 dargestellt ist. Nach dieser Rotation des Kolbens kommt es an der Position 10 für gewöhnlich zu einem Austausch des Abgases durch eine neue Ladung. In dem hier dargestellten Fall findet dieser Austausch nicht statt und die alte Ladung verbleibt im Zylinder. Der Kolben rotiert dann von der Position 10 zur Position 11, an der es bei einer ersten Betriebsart zu einer erneuten Zündung des Zylinders käme. Bei dem, hier dargstellten Beispiel, befindet sich der Motor aber unter Teillast, sodass zumindest Zylinder teilweise abgeschaltet werden. Es handelt sich um eine zweite Betriebsart mit rotierender Zylinderabschaltung. Insofern wird der Zylinder 1 in dieser Position 11 gerade nicht gezündet, was als durchgestrichener Blitz 12 gekennzeichnet ist. Nach erneuter Rotation des Kolbens kommt es an der Position 13 zu einem Austausch des Abgases 18 mit der neuen Ladung 15. Es kommt zu einer erneuten Kompression und zu einer Zündung 7 des Zylinders an der Position 14, die insofern der Position 9 entspricht. Die beschriebene Kompression des verbrauchten Gases 18, anschließender Austausch von Abgas 18 mit neuer Ladung 15 und erneute Zündung der neuen Ladung 15 findet dann entsprechend wiederkehrend statt. Die entsprechenden Positionen wurden in der Figur daher ebenso mit den Bezeichnungen 10, 11, 13 und 14 gekennzeichnet. Für den Zylinder 2 ergibt sich eine zeitliche versetzte Kurve 5, welche hier im Wesentlichen kurz vor der Position 11, d. h. der Nicht-Zündung einer in der ersten Betriebsart vorgesehenen Zündung beginnt. Entsprechend findet anschließend ein Austausch des Abgases 18 gegen eine neue Ladung 15 statt, und anschließend eine entsprechenden Zündung 8. Abgesehen von dem zeitlichen Versatz sind hier die gleichen Positionen 10, 11, 13 und 14 vorhanden und in der gleichen Reihenfolge angeordnet, wie sie schon für den Zylinder 1 beschrieben wurden. Sie sind entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Gleiches gilt auch für die Kurve 6 des Zylinders 3, wobei dieser an der Position 13 startet, d. h. beim Austausch des Abgases gegen eine neue Ladung 15. Der dritte Zylinder 3 startet also später mit seinem Arbeitskreislauf.
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Aus dem zeitlichen Ablauf der Kurven 4, 5 und 6 von links nach rechts ergibt sich aus dieser Darstellung die Zündfolge 1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2, 3. Hierbei sind die in der Zündfolge zündenden Zylinder jeweils durch den Unterstrich gekennzeichnet und die nicht zündenden Zylinder jeweils ohne Unterstrich geblieben.
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Eine bezüglich der Zündfolge identische Ausführungsform der Neuerung ist in der 2 gezeigt, wobei der Austausch des Abgases 18 mit der neuen Ladung 15 hier schon vor dem Leerlauf des jeweiligen Zylinders 1, 2, 3 ohne Zündung erfolgt.
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Entsprechend sind hier die Positionen 10 und 13 gemäß der 1 im Wesentlichen ausgetauscht. Ansonsten gilt das für die 1 beschriebene auch hier. Allerdings fungiert hier die Frischluft 15 als „Luftpumpe” im Gegensatz zum Abgas 18 gemäß der 1. Die Positionen der einzelnen Kurven 4, 5 und 6 wurden entsprechend an diesen Unterschied angepasst.
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Gleiche Elemente wurden ansonsten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 3 unterscheidet sich von den vorherigen Figuren darin, dass zunächst jeweils nach einer Zündung 7, 8 das Abgas 18 aus dem jeweiligen Zylinder 1, 2, 3 ausgelassen wird, ohne dass es zu einem Austausch gegen eine neue Ladung 15 käme. Das Auslassen des Abgases 18 erfolgt dementsprechend an einer Position 16 nach der Zündung 7, d. h. nach einer Position 9 bzw. 14. Es ersetzt somit die Position 10 oder 13 der vorherigen Figuren. Die Zufuhr der Frischluft bzw. der neuen Ladung 15 erfolgt dann entsprechend im Bereich der Positionen 13 bzw. 10 der 1 und 2 und wird hier durch die neue Position 17 gekennzeichnet. Die Kompression ohne Zündung an der Position 11 erfolgt hier dann mit leerem Zylinder 1, 2, 3. Ansonsten entsprechen sich hier die Zündfolge und die übrigen Abschnitte des Verfahrens mit denen in den 1 und 2. Das Ausstoßen des Abgases 18 und Einleiten der neuen Ladung 15 wird durch entsprechend von einer Zylindersteuerung angesteuerte Ventile realisiert, so wie die gesamte Steuerung des Motors auf die hier beschriebene Weise mittels eines Motorsteuerungssystems bzw. einer Zylindersteuerung realisiert.
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Es wird hier in den drei angesprochenen Ausführungsbeispielen jeweils eine Zündfolge erzeugt, die eine gleichmäßige Betätigung aller Zylinder 1, 2, 3 in einem gleichmäßigen Takt erreicht, wobei das Auslassen einer Zündung jeweils in einem gleichen Abstand von einem Zylinder 1, 2, 3 erfolgt. Es kommt damit nur zu einer Anregung der Ordnung 0,75, die für den Fahrer weniger erkennbar ist, als eine Anregung der Ordnung 0,5 wie in dem Fall, dass genau ein fest vorgesehener Zylinder nicht betätigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Zylinder
- 3
- Zylinder
- 4
- Kurve
- 5
- Kurve
- 6
- Kurve
- 7
- Zündung
- 8
- Zündung
- 9
- Position
- 10
- Position
- 11
- Position
- 12
- durchgestrichener Blitz
- 13
- Position
- 14
- Position
- 16
- Position
- 15
- neue Ladung
- 17
- Position
- 18
- Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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