Vorrichtung mit einer Steuereinheit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Steuerein¬ heit zum Betätigen von mehreren Drosseleinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betätigen von mehreren Drosseleinheiten nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 12.
Aus der DE 101 48 347 Al ist ein Verfahren zum Betätigen, von mehreren Drosseleinheiten bekannt. Die Drosseleinheiten sind jeweils einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordnet und sind dazu geeignet, eine Gruppe von Zylindern der Brenn¬ kraftmaschine in einem Zu- oder AbsehaltVorgang zu- oder ab¬ zuschalten. Durch die Drosseleinheiten beeinflusst die Steu¬ ereinheit das von den Zylindern erzeugte Drehmoment. Während des Zu- oder Abschaltvorgangs steuert die Steuereinheit die zu der Gruppe von Zylindern komplementäre Gruppe von Zylin¬ dern der Brennkraftmaschine so, dass ein Gesamtdrehmoment der Brennkraftmaschine konstant bleibt, wobei das von der Gruppe von Zylindern erzeugte Drehmoment auf einen Sollwert erhöht oder abgesenkt wird. Ein Signal zum Starten des Schaltvor¬ gangs wird von einer zentralen Steuereinheit eines die Brenn¬ kraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs erzeugt. Dabei wird die Gruppe von Zylindern zur Reduktion eines Kraftstoff¬ verbrauchs dann abgeschaltet, wenn die Brennkraftmaschine un¬ ter Teillast läuft.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, durch die ein be¬ sonders komfortabler bzw. ruckfreier Zu- und/oder Abschalt- Vorgang wenigstens eines Zylinders der Brennkraftmaschine re¬ alisierbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einer Steu¬ ereinheit zum Betätigen wenigstens einer Drosseleinheit, die einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist und durch die der Zylinder in einem Schaltvorgang zu- und/oder abschaltbar ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die dem ab¬ schaltbaren Zylinder zugeordnete Drosseleinheit während des Schaltvorgangs gemäß einer vorbestimmten Zeitfunktion öffnet und/oder schließt. Dadurch kann ein komfortabler Schaltvor¬ gang erreicht werden, der von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht als Ruck spürbar ist. Ferner können RegelSchwingungen wirkungsvoll vermieden werden. Durch eine adaptierbare Zeit- funktion ist eine vorteilhaft flexible Anpassung der Steuer¬ einheit an einen Typ eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs und/oder an einen speziellen Einsatzbereich des Kraftfahrzeugs erreichbar.
Als Drosseleinheit soll jede, dem Fachmann als sinnvoll er¬ scheinende Einheit bezeichnet werden, die zur Beeinflussung eines vom Zylinder erzeugten Drehmoments geeignet ist. Dabei kann die Drosseleinheit als Drosselventil, Drosselklappe oder als Einheit zum Bestimmen eines Ventilhubs eines über eine Nockenwelle gesteuerten Einlassventils oder Auslassventils des Zylinders ausgestaltet sein. Auch eine Vorrichtung zur
elektromagnetischen Steuerung des Ventilhubs eines Einlass- ventils oder Auslassventils soll in diesem Sinne als Drossel- einheit bezeichnet werden. Die Brennkraftmaschine kann prin¬ zipiell als jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Kol¬ benmaschine mit mehreren Zylindern ausgestaltet sein, insbe¬ sondere als Diesel- oder Ottomotor. Als eine Gruppe von Zy¬ lindern soll eine echte Teilmenge der Gesamtzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine bezeichnet werden. Als Abschalten des Zylinders soll ein Schaltvorgang bezeichnet werden, der den Zylinder über einen mehrere Arbeitszyklen überdauernden Zeit¬ raum in einen Zustand versetzt, in dem der Zylinder keinen Beitrag zur Drehmomenterzeugung der Brennkraftmaschine leis¬ tet.
Die Zeitfunktion kann fest vorgegeben oder mechanisch über die Steuereinheit einstellbar sein oder einen wählbaren Soft¬ wareparameter aufweisen, der bei einer Installation der Steu¬ ereinheit eingestellt und gespeichert werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Zeitfunktion stetig ist . Dadurch kann ein besonders ruck¬ freier Schaltvorgang erreicht werden. Prinzipiell sind jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die Zeitfunktion einen kleinstufigen gestuften Verlauf hat. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Drosseleinheit lediglich eine diskontinuierliche Verstellmöglichkeit auf¬ weist.
Ein unkontrolliertes Nachschwingen durch eine Dynamik einer Ladung des Zylinders und/oder durch eine Dynamik der Drossel¬ einheit kann vermieden werden, wenn die Zeitfunktion stetig differenzierbar ist.
Besonders große Kraftstoffeinsparungspotenziale können sich durch das Zu- und Abschalten einer Gruppe von Zylindern erge-
ben, wenn die Brennkraftmaschine zumindest acht Zylinder auf¬ weist. Ähnlich vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsge¬ mäßen Lösung im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen mit 12 oder 16 Zylindern.
Dabei kann ein unrunder Lauf der Brennkraftmaschine vermieden werden, wenn zumindest vier Zylinder abschaltbar sind. Prin¬ zipiell sind jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung denk¬ bar, in denen zwei oder eine andere Anzahl von Zylindern zu einer abschaltbaren Gruppe zusammengefasst sind.
Eine flexibel an eine Betriebssituation anpassbare Vorrich¬ tung ist erreichbar, wenn die Zeitfunktion von zumindest ei¬ nem Betriebsparameter bestimmt ist . Dabei kann die Zeitfunk¬ tion insbesondere eine von dem Betriebsparameter abhängige Zeitkonstante enthalten. Als Betriebsparameter kann bei¬ spielsweise eine Kenngröße für das Fahrverhalten des Fahrers, eine Änderungsgeschwindigkeit eines Fahrpedalwinkeis, eine Getriebeübersetzung oder jede andere, dem Fachmann als sinn¬ voll erscheinende Betriebsgröße eingesetzt werden. Dabei ist ein vorteilhafter Toleranzausgleich erreichbar, wenn die Be¬ triebsgröße von einem dem aktuellen Schaltvorgang vorausge¬ henden Zu- oder Abschaltvorgang bestimmt ist .
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ein Schalt¬ element umfasst, das den Schaltvorgang auslöst, wenn ein Be¬ triebspunkt der Brennkraftmaschine eine Kennlinie in einem Motorkennfeld überquert. Dabei ist das Schaltelement beson¬ ders einfach und kostengünstig als Kontrollbit einer Rechen¬ einheit der Steuereinheit realisierbar. Die Steuereinheit kann einstückig oder mehrstückig mit einer zentralen Steuer¬ einheit der Brennkraftmaschine ausgeführt sein. Ferner könnte die Steuereinheit in eine zentrale Steuereinheit eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs integriert sein
und beispielsweise über einen CAN-Bus mit der Brennkraftma¬ schine kommunizieren.
Eine flexible Adaption der Kennlinie an den Einsatzbereich der Brennkraftmaschine kann ermöglicht werden, wenn die Steu¬ ereinheit eine Speichereinheit zum Speichern der Kennlinie umfasst.
Umfasst die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern eines einstellbaren Parameters der Zeitfunktion, insbesondere einer Zeitkonstante, die eine Dauer des Schaltvorgangs be¬ schreibt, kann eine flexibel einsetzbare Vorrichtung erreicht werden.
Zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass eine erste Kennlinie einem AbsehaltVorgang des Zylinders zugeordnet ist und dass eine zweite Kennlinie einem Zuschaltvorgang des Zy¬ linders zugeordnet ist, kann ein unruhiges Hin- und Hersprin¬ gen und ein möglicherweise damit einhergehender Komfortver¬ lust vermieden werden, und zwar insbesondere dann, wenn zwi¬ schen der ersten Kennlinie und der zweiten Kennlinie ein Hys¬ teresebereich vorgesehen ist bzw. wenn ein Bereich des Motor¬ kennfelds, in dem der abschaltbare Zylinder nach einem Ab¬ schaltvorgang abgeschaltet ist, mit einem Bereich des Motor¬ kennfelds, in dem der abschaltbare Zylinder nach einen Zu¬ schaltvorgang zugeschaltet ist, überlappt.
Ferner geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betäti¬ gen von einer Drosseleinheit, die einem Zylinder einer Brenn¬ kraftmaschine zugeordnet ist und durch die der Zylinder in einem Schaltvorgang zu- und/oder abschaltbar ist .
Es wird vorgeschlagen, dass die dem abschaltbaren Zylinder zugeordnete Drosseleinheit während des Schaltvorgangs gemäß
einer vorbestimmten Zeitfunktion geöffnet und/oder geschlos¬ sen wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe¬ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt . Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma¬ schine mit einer Steuereinheit,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines in der Steuereinheit imp¬ lementierten Programms,
Fig. 3 ein Motorkennfeld mit Kennlinien,
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments einer ersten Gruppe von Zylindern und eines Drehmoments ei¬ ner zweiten Gruppe von Zylindern während eines Ab¬ schaltVorgangs und
Fig. 5 einen zeitlichen Verlauf eines Drehmoments einer ersten Gruppe von Zylindern und eines Drehmoments ei¬ ner zweiten Gruppe von Zylindern während eines Zu¬ schaltvorgangs.
Figur 1 zeigt eine als Ottomotor mit acht Zylindern 12a - 12h ausgebildete Brennkraftmaschine 13 in einer schematischen Darstellung. Jeder der Zylinder 12a - 12h weist bekannte Ein- lass- und Auslassventile auf, die hier nicht explizit darge¬ stellt sind, und die zum Laden des Zylinders 12a - 12h und zum Abführen von Abgas vorgesehen sind. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Lösung in allen denkbaren Brennkraftmaschi¬ nen mit mehreren Zylindern, insbesondere auch in Dieselmoto¬ ren oder in Motoren mit Turbolader oder Abgasrückführung,
einsetzbar. Die Einlass- und Auslassventile werden durch eine hier nicht dargestellte Nockenwelle betätigt.
Jedem der acht Zylinder 12a - 12h ist eine Drosseleinheit IIa - 11h zugeordnet, durch die eine Ladungszufuhr des jeweiligen -Zylinders. 12a - 12h gedrosselt und vollständig unterbrochen werden kann. Die Drosseleinheiten IIa - 11h umfassen jeweils ein elektromagnetisches Betätigungselement 17a - 17h. Die Be¬ tätigungselemente 17a - 17h sind über Steuerleitungen mit ei¬ ner Steuereinheit 10 der Brennkraftmaschine 13 verbunden. Die Steuereinheit 10 ist als programmierbare Recheneinheit ausge¬ bildet und umfasst eine Speichereinheit 16 und ein Schaltele¬ ment 18. Ferner kommuniziert die Steuereinheit 10 über einen CAN-Bus 19 mit weiteren Steuereinheiten eines die Brennkraft¬ maschine 13 umfassenden Kraftfahrzeugs und kann über den CAN- Bus 19 alle im Kraftfahrzeug erfassten Betriebsgrößen ausle¬ sen und an eine Kenngröße für einen aktuellen Betätigungszu¬ stand der Brennkraftmaschine 13 für die weiteren Steuerein¬ heiten verfügbar machen.
Neben elektromagnetischen Betätigungselementen 17a - 17h kön¬ nen auch hydraulische und/oder mechanische Betätigungselemen¬ te zum Einsatz kommen. Die Drosselelemente können ferner ein¬ stückig mit Ladungslenkklappen oder mit Einlassventilen der Zylinder 12a - 12h ausgebildet sein. Dabei können die Dros¬ selelemente beispielsweise als Nockenwellenversteller oder als Mechanismen zur mechanischen Einstellung eines Ventilhubs ausgebildet sein.
Über die Steuerleitungen kann die Steuereinheit 10 die Dros¬ seleinheiten IIa - 11h unabhängig voneinander kontinuierlich verstellen und insbesondere öffnen und schließen. Insbesonde¬ re ist die Steuereinheit 10 dazu geeignet, jede beliebige Gruppe von Drosseleinheiten IIa - 11h unabhängig zu schlie¬ ßen.
In der Steuereinheit 10 ist ein Programm implementiert, das auf ein Schaltsignal hin eine Gruppe von vier Zylindern 12a - 12d öffnet oder schließt. Dabei generiert die Steuereinheit 10 das Schaltsignal selbsttätig und abhängig von einer Dreh¬ zahl und von einer Last der Brennkraftmaschine 13 in einer Weise, die im Folgenden näher beschrieben wird.
Das Programm löst Schaltvorgänge 20, 21 zwischen einem ersten Betriebszustand, in dem die Gruppe von Zylindern 12a - 12d eingeschaltet ist, und einem zweiten Betriebszustand aus, in dem die Gruppe von Zylindern 12a - 12d abgeschaltet ist und in dem die Drosseleinheiten IIa - 11h geschlossen sind. Dem ersten Betriebszustand ist der Wert 0 eines in der Spei¬ chereinheit 16 gespeicherten Kontrollbits zugeordnet und dem zweiten Betriebszustand der Wert 1.
Das Programm durchläuft einen in Figur 2 dargestellten Abfra¬ gezyklus. In einem ersten Schritt 22 fragt die Steuereinheit 10 das Kontrollbit ab.
Findet die Steuereinheit 10 den Wert 0, so liegt der erste Betriebsmodus vor, und die Steuereinheit 10 fragt in einem Abfrageschritt 23 ab, ob eine aktuelle Last der Brennkraftma¬ schine 13, deren Wert die Steuereinheit 10 über den CAN-Bus 19 ausliest, kleiner als ein kritischer Wert ist, der in Form einer Kennlinie 14 (Figur 3) in der Speichereinheit 16 der Steuereinheit 10 gespeichert ist. Die Kennlinie 14 hängt von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 13 und von einem weite¬ ren Betriebsparameter P ab, und zwar von einer Fahrpedalstel¬ lung. Bei weiter eingerücktem Fahrpedal verschiebt sich die Kennlinie 14 im Motorkennfeld (Figur 3) nach unten. In Figur 3 ist exemplarisch eine Kennlinie 14 für P=0% und eine Kenn¬ linie 14' für P=50% eingezeichnet. Durch eine Änderung des Programms kann jede, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Größe als Kenngröße P Anwendung finden. Insbesondere eine
Kenngröße für eine Sportlichkeit eines Fahrverhaltens kann vorteilhaft eingesetzt werden.
Ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 13 ist als ein Punkt im zweidimensionalen Motorkennfeld der Brennkraftmaschine 13 bestimmt und liegt in Figur 3 stets unterhalb einer typenab¬ hängigen Kennlinie 25, die ein Leistungsmaximum der Brenn¬ kraftmaschine 13 beschreibt. Die Kennlinie 25 beschränkt zu¬ sammen mit einer Leerlaufdrehzahl nLL und einer Maximaldreh¬ zahl nmax das MotorkennfBld.
Findet die Steuereinheit 10 im Abfrageschritt 23 einen Be¬ triebspunkt, der in Figur 3 unterhalb der Kennlinie 14 liegt, so gibt sie ein Signal an das Schaltelement 18, das einen Ab¬ schaltvorgang 20 auslöst, um im folgenden Betrieb Treibstoff einzusparen. Der Betriebspunkt hat dann im vorausgehenden Zyklus des Programms die Kennlinie 14 überschritten. Dabei schließt die Steuereinheit 10 mittels der Betätigungselemente 17a - 17d die Drosseleinheiten IIa - Hd gemäß einer vorgege¬ benen, stetig differenzierbaren Zeitfunktion und vergrößert gleichzeitig einen Öffnungsgrad der Drosseleinheiten He - Hh. Dabei verändern sich die von den Zylindern 12a - 12h er¬ zeugten Drehmomente in einer zum Öffnungsgrad der Drosselein¬ heiten Ha - Hh proportionalen Weise, und zwar so, dass eine Summe des von der Brennkraftmaschine 13 erzeugten Drehmoments stets einem durch die Kenngröße P bestimmten Anforderungswert 26 entspricht (Figur 4) . Es sind auch Ausgestaltungen der Er¬ findung denkbar, in denen eine Abhängigkeit zwischen dem Drehmoment und dem Öffnungsgrad der Drosseleinheiten Ha - Hh in einem in der Speichereinheit 16 abgelegten Kennfeld gespeichert sind. Nach dem Abschluss des Schaltvorgangs 20 setzt die Steuereinheit 10 das Kontrollbit auf den Wert 1.
Findet die Steuereinheit 10 im Schritt 22 den Wert 1, so liegt der zweite Betriebsmodus vor, und die Steuereinheit 10
fragt in einem Abfrageschritt 24 ab, ob eine aktuelle Last der Brennkraftmaschine 13, deren Wert die Steuereinheit 10 über den CAN-Bus 19 ausliest, größer als ein zweiter kriti¬ scher Wert ist, der in Form einer Kennlinie 15 in der Spei¬ chereinheit 16 der Steuereinheit 10 gespeichert ist. Die Kennlinie 15 hängt von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 13 und von dem Betriebsparameter P ab.
Liegt der Betriebspunkt oberhalb der Kennlinie 15, so löst die Steuereinheit 10 einen Schaltvorgang 21 aus, bei dem sie die Drosseleinheiten IIa - Hd der Gruppe von Zylindern 12a - 12d gemäß einer vorbestimmten Zeitfunktion mit Hilfe der Be¬ tätigungselemente 17a - 17h öffnet und gleichzeitig den Öff¬ nungsgrad der komplementären Drosseleinheiten He - Hh redu¬ ziert, um ein dem Anforderungswert 26 entsprechendes Gesamt- moment der Brennkraftmaschine 13 zu realisieren (Figur 5) . Der Betriebspunkt muss dann im vorangegangenen Zyklus des Programms die Kennlinie 15 überquert haben. Nach dem Ab- schluss des Schaltvorgangs 21 setzt die Steuereinheit 10 das Kontrollbit auf den Wert 0.
Während der Schaltvorgänge 20, 21 bleibt der zyklische Ablauf des Programms unterbrochen, so dass die Schaltvorgänge 20, 21 stets gemäß der eingestellten Zeitfunktion zu Ende gebracht werden.
Ein durch die Kennlinie 14 beschriebenes Drehmoment ist im gesamten Motorkennfeld kleiner als ein durch die Kennlinie 15 beschriebenes Drehmoment, so dass ein schnelles Hin- und Her¬ schalten zwischen den beiden Betriebsmodi vermieden wird und dass bei den Übergängen zwischen den Betriebsmodi eine Hyste¬ rese auftritt.
Als Zeitfunktion kann im Prinzip jede, dem Fachmann als sinn¬ voll erscheinende Funktion zum Einsatz kommen, die zwischen
einem Bruchteil des Anforderungswerts 26 und dem Wert 0 in¬ terpoliert. Als Beispiel sei für den Momentenverlauf der Gruppe von Zylindern 12a - 12d während des Abschaltvorgangs die Zeitfunktion
A/4*(cos(πt/t0)+l)
genannt, während die komplementäre Gruppe von Zylindern 12e - 12h gemäß der Zeitfunktion
A/4-(3-cos(πt/t0))
gesteuert wird. Dabei läuft die Zeit zwischen t=0 und t=t0, wobei t0 eine einstellbare, in der Speichereinheit lβ gespei¬ cherte Zeitkonstante ist, die auch von einer externen Kenn¬ größe abhängen kann. Die Zeitkonstante t0 wird bei der In¬ stallation der Steuereinheit eingestellt. A ist der von der Kenngröße P abhängige Anforderungswert 26.
Durch die Wählbarkeit des Parameters t0 ist die Zeitfunktion einstellbar. Es sind auch Ausgestaltungen der Erfindung denk¬ bar, in denen die Zeitfunktion von mehreren einstellbaren Pa¬ rametern abhängt.
DaimlerChrysler AG
Bezugszeichen
10 Steuereinheit
11 Drosseleinheit
12 Zylinder
13 Brennkraftmaschine
14 Kennlinie
15 Kennlinie
16 Speichereinheit
17 Betätigungselement
18 Schaltelement
19 CAN - Bus
20 Schaltvorgang
21 Schaltvorgang
22 Schritt
23 Abfrageschritt
24 Abfrageschritt
25 Kennlinie
26 Anforderungswert P Betriebsparameter nLL Leerlaufdrehzahl nmax Maximaldrehzahl t0 Parameter