DE10123624A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, mit einer Bestimmung, ob ein Drehmoment der Brennkraftmaschine über einem Drehmomentschwellwert liegt. Wenn das Drehmoment kleiner als der Drehmomentschwellwert ist, werden alle Zylinder der Brennkraftmaschine in einem mageren Betriebszustand betrieben. Wenn das Drehmoment größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist, wird eine erste Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine in einem homogenen Betriebszustand betrieben und die verbleibenden Zylinder der Brennkraftmaschine in dem mageren Betriebszustand.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraft­ maschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Brennkraftmaschine, in der jeder einer Mehrzahl von Zylindern eine Mehrzahl von Ventilen aufweist, und zumindest ein Ventil der Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl von Zylindern einen voll- variablen Ventiltrieb aufweist.

In der modernen Automobiltechnik werden immer mehr Ottomotoren mit Direkt­ einspritzung eingesetzt. Bei der Kraftstoffdirekteinspritzung wird der zu verbren­ nende Kraftstoff direkt mittels einer Einspritzdüse in den Brennraum eines Zylin­ ders eingespritzt.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das verschiedene Betriebszustände, die in einem Ottomotor mit Direkteinspritzung möglich sind, darstellt. Entlang der Abszisse von Fig. 5 ist die Drehzahl des Ottomotors angetragen. Entlang der Ordinate des Diagramms von Fig. 5 ist das Drehmoment M des Ottomotors angegeben. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet einen Graph, der einen ersten Betriebszustand des Ottomotors begrenzt. Innerhalb des von dem Drehmoment M1 zu der Drehzahl N1 verlaufenden Graph 1 begrenzten Bereichs wird der Ottomotor in einem Schichtbetrieb mit Abgasrückführung (AGR) betrieben. In dem Schicht­ betrieb mit Abgasrückführung wird den Zylindern des Ottomotors ein mageres Gemisch mit λ < 1 zugeführt. λ ist als die zugeführte Luftmenge dividiert durch den theoretischen Luftbedarf definiert. Das magere Gemisch enthält im Vergleich zu einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch mit λ = 1 mehr Luft.

Das Luft-Kraftstoffverhältnis oder Gemisch bestimmt entscheidend das Drehmo­ ment, den Rundlauf, den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission des Otto­ motors.

Bei einem Ottomotor mit einem voll-variablem Ventiltrieb, wie beispielsweise ei­ nem elektro-hydraulischen Ventiltrieb (EHVS), wird eine Füllung der Zylinder mit Gas durch Ventilsteuerzeiten der Ein- und Auslaßventile des Ottomotors eingestellt. Bei dem voll-variablen Ventiltrieb sind die Motorventilvorgänge und die Mengen der Ansaugluft flexibel. Die Mengen der Ansaugluft und des Restga­ ses der Verbrennung in jedem Zylinder können durch Variieren des Zeitpunktes des Öffnens und/oder Schließens der Einlaßventile gesteuert werden. Dies erübrigt die Notwendigkeit einer Luftdrossellung der Ansaugluft bzw. eines AGR- Systems zur Zusetzung zurückgeführten Abgases zu der Ansaugluft. In dem voll- variablen Ventiltrieb kann jeder Zylinder durch individuelle Ventilzeitgaben, d. h. durch individuelles Einstellen des Zeitpunktes des Öffnens und/oder des Schlie­ ßens der Einlaßventile und der Auslaßventile, für jeden Zylinder eine individuelle Gasfüllung eingestellt werden.

Die Abgasrückführung wird in dem Schichtbetrieb ausgeführt, indem ein Auslaßventil-Schließt-Zeitpunkt (AS-Zeitpunkt), d. h. der Zeitpunkt, an dem das Auslaßventil des Zylinders geschlossen wird, verzögert wird, um eine Ventilüberlappung zwischen den Offen-Zuständen des Einlaß- und Auslaßventils innerhalb eines Zylinders herzustellen. Durch Steuerung der Restgasmenge im Zylinder kann die Stickoxidemission des Ottomotors gesteuert werden.

In anderen Worten werden das Einlaßventil und das Auslaßventil des Zylinders dergestalt angesteuert, daß sich Ventilerhebungskurven des Einlaßventils und des Auslaßventils überlappen, so daß Restgas der Verbrennung im Breninraum verbleibt, durch das dann eine geringere Frischgasfüllung bestimmt wird.

In dem Bereich zwischen dem Graph 1 und einem Graph 2, der von dem Dreh­ moment M₂ zu der Drehzahl n₂ verläuft, wird der Ottomotor in einem Homogenbetrieb mit Abgasrückführung und Lambda < 1 betrieben, der auch als magerer Homogenbetrieb bezeichnet wird.

In einem Bereich über dem Graph 2 und unter einem Graph 3, der von dem Drehmoment N₃ zu der Drehzahl n₃ verläuft, wird der Ottomotor in einem homo­ genen Betriebszustand betrieben. In diesem Betriebszustand wird der Ottomotor stöchiometrisch betrieben, das heißt bei λ = 1.

Der magere Betriebszustand und der Schichtbetrieb unter den Graphen 1 und 2 haben gegenüber dem homogenen Betriebszustand einen bis zu 20% niedrigeren spezifischen Kraftstoffverbrauch. Dementsprechend ist es für einen geringen Kraftstoffverbrauch wünschenswert, den Ottomotor möglichst viel in dem mageren Betriebszustand zu betreiben.

Dem geschichtet mageren Betriebszustand sind jedoch enge Grenzen gesetzt. Das maximale Drehmoment eines Zylinders bzw. des Ottomotors in dem mageren Betriebszustand ist nur etwa 60% so groß wie das maximale Drehmoment im Homogenbetrieb mit Lambda = 1, da eine weitere Ausweitung des mageren Betriebszustandes zu starker Rußentwicklung und zu erhöhten Abgasemissionswerten führt. Dies führt dazu, daß in den heute üblichen Ottomotoren bis zu einem Drehmoment von etwa 60% des maximalen Drehmoments des Ottomotors alle Zylinder in dem mageren geschichteten Be­ triebszustand betrieben werden und oberhalb dieses Grenzwertes, das heißt in der Fig. 5 oberhalb des Graph 2, alle Zylinder in dem verbrauchsungünstigeren homogenen Betriebszustand betrieben werden.

Häufig wird der homogen magere Betriebszustand gar nicht aktiviert. Wenn in dem herkömmlichen Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung das Drehmoment der Brennkraftmaschine über dem Wert von etwa 60% des maximalen Drehmoments ansteigt, werden alle Zylinder von dem mageren geschichteten Betriebszustand in den homogenen Betriebszustand mit Lambda = 1 geschaltet. Da ein Druck in einem Saugrohr des Ottomotors nicht schlagartig verändert werden kann, erzeugt das Umschalten einen Ruck. Es ist zwar möglich, zum Verringern diese Umschaltrucks bei noch hoher Saugrohrfüllung einen Zündwinkel der Zylinder in den homogenen Betriebszustand nach spät zu ziehen bis sich der überschüssige Saugrohrdruck in dem Saugrohr abgebaut hat. Dies hilft jedoch lediglich den Umschaltruck etwas zu dämpfen. Überdies bewirkt der späte Zündwinkel Kraftstoffverbrauchsnachteile bei dem Umschalten von dem mageren Betriebszustand in den homogenen Betriebszustand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieben einer Brennkraftmaschine und eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Brennkraftmaschine anzugeben, die einen geringen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 bzw. im Patentanspruch 6 aufgeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Betreiben einer Brennkraft­ maschine mit einer Mehrzahl von Zylindern wird bestimmt, ob ein Drehmoment der Brennkraftmaschine über einem Drehmomentschwellwert liegt. Wenn das bestimmte Drehmoment kleiner als der Drehmomentschwellwert ist, werden alle Zylinder der Mehrzahl von Zylindern der Brennkraftmaschine in einem mageren geschichteten Betriebszustand betrieben. Wenn das bestimmte Drehmoment größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist, wird ein Teil der Mehrzahl von Zylindern der Brennkraftmaschine in einem homogenen Betriebszustand mit Lambda = 1 betrieben, während die verbleibenden Zylinder der Mehrzahl von Brennkraftmaschinen in dem mageren geschichteten Betriebszustand betrieben werden.

Dies bedeutet, daß bei einem Drehmoment der Brennkraftmaschine über dem Drehmomentschwellwert einzelne Zylinder in dem mageren Betriebszustand be­ trieben werden. Somit ist ein Verhältnis eines Drehmomentenbeitrag der Zylinder in dem mageren Betriebszustand zu einem maximalen Drehmomentenbeitrag dieser Zylinder kleiner oder gleich einem Verhältnis des Drehmomentenschwellwerts zu dem maximalen Drehmoment der Brennkraftma­ schine. Dementsprechend ist ein Verhältnis der jeweiligen Drehmomentenbeiträ­ ge der Zylinder, die in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden zu dem maximalen Drehmomentenbeitrag dieser Zylinder, größer als das Verhältnis des Drehmomentenschwellwerts zu dem maximalen Drehmoment der Brennkraftmaschine.

Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung vorteilhaft einen geringen Kraftstoff­ verbrauch, da die Kraftstoffverbrauchsvorteile des mageren Betriebszustands bzw. des Schichtbetriebs bis zu höheren Brennkraftmaschinendrehmomenten ausgedehnt werden, ohne eine verstärkte Rußbildung oder Gasemission zu be­ wirken.

Die Erfindung kann vorteilhaft ausgestaltet werden, daß die Anzahl der Zylinder, die oberhalb des Drehmomentenschwellwerts in den homogenen Betriebszustand betrieben werden, mit einem Anstieg des Drehmoments an­ steigt. Dies bedeutet, daß je weiter das Drehmoment der Brennkraftmaschine über den Drehmomentenschwellwert steigt, sukzessive immer mehr Zylinder in den homogenen Betriebszustand geschalten werden.

Da gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nicht alle Zylinder gleichzeitig von dem mageren Betriebszustand in den homogenen Betriebszustand geschaltet werden, sondern eine sukzessive schrittweise Um­ schaltung stattfindet, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung des Umschaltdrucks bei dem Drehzahlschwellwert. Ferner erübrigt die vorliegende Erfindung vorteilhaft ein Spätziehen des Zündwinkels im homogenen Betriebs­ zustand, so daß in vorteilhafter Art und Weise eine Brennkraftmaschine mit ei­ nem verringerten Kraftstoffverbrauch angegeben wird.

Die Steuereinrichtung der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Betriebes einer Brennkraftmaschine in der eine Mehrzahl von Zylindern, eine Mehrzahl von Ventilen aufweist und zumindest ein Ventil der Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl von Zylindern einen voll-variablen Ventiltrieb aufweist, umfaßt eine Vergleichereinrichtung zum Bestimmen, ob ein Drehmoment der Brennkraftma­ schine größer oder gleich einem Drehmomentschwellwert ist, und eine Ventilöff­ nungsansteuereinrichtung. Die Ventilansteuereinrichtung ist ausgebildet, eine Ansteuerung von zumindest einem einer Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl der Zylinder, wenn das Drehmoment kleiner als der Drehmoment­ schwellwert ist, dergestalt zu steuern, daß alle Zylinder der Brennkraftmaschine in dem mageren Betrieb betrieben werden. Die Ventilöffnungsansteuereinrichtung ist ferner ausgestaltet, die Ansteuerung von zumindest einem einer Mehrzahl von Ventilen der Zylinder der Brennkraftmaschine, wenn das Drehmoment größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist, dergestalt zu steuern, daß ein Teil der Zylinder der Brennkraftmaschine in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden, und die verbleibenden Zylinder der Brennkraftmaschine in dem mageren Betriebszustand betrieben werden.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ermöglicht vorteilhaft einen kraftstoff­ fahrsparenden Betrieb der Brennkraftmaschine. Ferner weist die Steuereinrich­ tung gemäß der vorliegenden Erfindung einen einfachen und kostengünstig zu produzierenden Aufbau auf.

Vorzugsweise ist der Drehmomentenschwellwert der Drehmomentenwert, an dem eine Rußentwicklung der Zylinder der Brennkraftmaschine in dem mageren Betriebszustand über einzuhaltende Rußemissionswerte hinausgeht. Die einzu­ haltenden Rußemissionswerte können beispielsweise staatlich vorgegebene Maximal-emissionswerte für Ruß sein.

Die vorliegende Erfindung kann derart vorteilhaft weitergebildet werden, daß die Ventilöffnungsansteuereinrichtung die Anzahl der Zylinder, die oberhalb des Drehmomentenschwellwerts in dem homogenen Betrieb betrieben werden, mit einer Zunahme des Drehmoments erhöht.

Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht einen kraftstoffeffizienten und nahezu ruckfreien Betrieb der Brennkraftmaschine, wenn von einem mageren Betriebszustand zu einem Betriebszustand übergegangen wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung ge­ mäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Gaswechselsteller eines voll-variablen Ven­ tiltriebs;

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einen Drehmomentenbeitrag von homogen betriebenen Zylindern und einen Anteil homogener Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine zeigt, deren Betrieb mittels der Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird;

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm mit einem Ausführungsbeispiel der Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Steuerein­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das verschiedene Betriebszustände eines Ottomotors mit Direkteinspritzung darstellt.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung am Beispiel eines Sechszylinderottomotors mit Direkteinspritzung und voll-variablem Ventiltrieb beschrieben. Dieser Ottomotor weist ein Auslaß- und ein Einlaßventil pro Zylinder auf. Sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil weisen einen variablen Ventiltrieb auf, so daß die Zeitpunkte des Öffnens und/oder Schließens des Einlaß- und des Auslaßventils, sowie ein Hub beider Ventile frei, das heißt voneinander unabhängig und von den anderen Ventilen der anderen Zylinder unabhängig, gesteuert werden können. Der Ottomotor in diesem Ausführungsbeispiel weist ferner keine Drosselklappe auf. Die Luftdrosselung und die Abgasrückführung wird durch Variieren der Zeitpunkte des Öffnen und/oder Schließens der Einlaß- und Auslaßventile sowie des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile ausgeführt.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Beispielottomotor begrenzt, sondern kann in gleicher Art und Weise auf mehrzylindrige Brennkraftmaschinen angewendet werden, die zumindest ein Ventil pro Zylinder mit voll-variablem Ventiltrieb aufweisen. Diese Brennkraftmaschinen können auch mit anderen Kraftstoffen, wie beispielsweise Dieselkraftstoff, betrieben werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Viertaktbrennkraftmaschine begrenzt, son­ dern ist gleichermaßen auf eine Zweitakt-, Sechstakt- oder Mehrtaktmaschine anwendbar. Ebenso ist die vorliegende Erfindung auf Brennkraftmaschinen an­ wendbar, die mehrere Einlaß- bzw. Auslaßventile pro Zylinder aufweisen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Steuereinrichtung umfaßt eine Drehmomentschwellwertvorgabeeinrichtung 5, einen Vergleicher 6 und eine Ventilöffnungssteuereinrichtung 7. Die Bezugziffer 4 in Fig. 1 bezeichnet eine Drehmomentenerfassungseinrichtung. Die Drehmomentschwellwertvorgabeeinrichtung 5 ist vorzugsweise eine Speichereinrichtung, wie beispielsweise ein Nurlesespeicher ROM, in dem ein vorgegebener Drehmomentschwellwert S_M abgelegt ist. Die Drehmomentschwellwertvorgabeeinrichtung 5 kann jedoch auch mittels einer Mikroprozessoreinrichtung ausgebildet werden, die in Abhängigkeit von Betriebszustandsgrößen, wie einer Temperatur, einem Solldrehmomentwert der Brennkraftmaschine, oder einem Solldrehmomentwert eines einzelnen Zylinders, den Drehmomentschwellwert S_M bestimmt.

Die Drehmomentschwellwertvorgabeeinrichtung 5 gibt den Drehmomentschwellwert S_M an den Vergleicher 6 aus. Der Vergleicher 6 emp­ fängt ferner als Eingangsgröße ein Ausgangssignal einer Drehmomenterfassungseinrichtung 4, daß das augenblicklich von dem Ottomotor abgegebene Drehmoment M angibt.

Der Vergleicher 6 vergleicht das Drehmoment M mit dem Drehmomentschwellwert S_M und gibt an die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 ein Signal aus, wenn das Drehmoment M größer oder gleich dem Drehmoment­ schwellwert S_M ist.

Die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 gibt Steuersignale an einen Gaswechsel­ steller 8 _1A für ein Auslaßventil des ersten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _1E für ein Einlaßventil des ersten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _2A für ein Auslaßventil des zweiten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _2E für ein Einlaßventil des zweiten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _3A für ein Auslaßventil des dritten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _3E für ein Einlaßventil des dritten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _4A für ein Auslaßventil des vierten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _4E für ein Einlaßventil des vierten Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _5A für ein Auslaßventil des fünften Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _5E für ein Einlaßventil des fünften Zylinders, einen Gaswechselsteller 8 _6A für ein Auslaßventil des sechsten Zylinders und einen Gaswechselsteller 8 _6E für ein Einlaßventil des sechsten Zylinders des Ottomotors aus.

Die Bezugsziffer 9 in Fig. 1 bezeichnet eine Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung. Die Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung 9 steuert Kraftstoffeinspritzventile des Ottomotors und gibt die in die einzelnen Zylinder einzuspritzende Kraftstoffmenge vor. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 9 ist mit der Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 verbunden und gibt ein Synchronisationssignal sowie ein Signal, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge angibt, an die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 aus.

Die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 ermittelt Steuersignale für die Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E auf der Grundlage des Ausgangssignals des Vergleichers 6, dem Drehmoment M das von der Drehmomenterfassungseinrich­ tung 4 erfasst wird, und den Ausganssignalen der Kraftstoffeinspritzsteuerein­ richtung 9.

Vorzugsweise ist die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 eine Mikroprozessorein­ richtung oder eine Signalerzeugungseinrichtung, wie beispielsweise ein EPLD.

Ein Aufbau der Gaswechselsteller 8_1A 8_1E bis 8_6E wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 2 beschrieben.

Da der Aufbau der Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E gleich ist, wird der Aufbau anhand des Gaswechselstellers 8 _1A des Auslaßventils des ersten Zylinders be­ schrieben.

Die Bezugziffer 10 bezeichnet ein erstes Magnetventil. Das erste Magnetventil 10 ist in einer Hydraulikverbindung 15a zwischen einer nicht dargestellten Druckversorgungseinrichtung, wie beispielsweise einem Common Rail und einer ersten Kammer 11 in einer Betätigungseinrichtung 12 angeordnet. In der Betätigungseinrichtung 12 ist ein Ventilfuß 13 des Auslaßventils 14 angeordnet. Der Ventilfuß 13 ist in der Betätigungseinrichtung 12 versetzbar angeordnet. Der Ventilfuß 13 trennt die erste Kammer 11 von einer zweiten Kammer 16 in der Betätigungseinrichtung 12.

Zwischen der zweiten Kammer 16 in der Betätigungseinrichtung 12 und der nicht dargestellten Druckversorgungseinrichtung ist eine zweite Hydraulikverbindung 15b vorgesehen. Die erste Kammer 11 ist ferner über ein zweites Magnetventil 17 mit der Druckversorgungseinrichtung durch eine dritte Hydraulikverbindung 15c verbunden.

Der Betrieb des in Fig. 2 dargestellten Gaswechselstellers ist wie folgt. Wenn das erste Magnetventil 10 geöffnet ist, strömt von der Druckversorgungseinrich­ tung ein unter Druck stehendes Hydraulikmedium in die erste Kammer 11. Das Hydraulikmedium füllt die erste Kammer 11 und versetzt den Ventilfuß 13, der die erste Kammer 11 von der zweiten Kammer 16 trennt. Dadurch wird das Auslaßventil 14 in Fig. 2 nach unten versetzt. Das Ventil 14 ist dergestalt an­ geordnet, daß das Auslaßventil 14 in einem nicht dargestellten Ventilsitz in einem Zylinderkopf des Ottomotors sitzt, wenn der Ventilfuß 13 in Fig. 2 ganz oben ist, d. h. kein Hydraulikmedium in der ersten Kammer 11 ist, die erste Kammer 11 einen minimalen Raum aufweist und die zweite Kammer einen maximalen Raum aufweist. In dieser Position verschließt das Ventil 14 die Auslaßöffnung eines Brennraums des Zylinders. Wenn die erste Kammer 11 mit dem Hydraulikmedium gefüllt wird, wird das Auslassventil 14 aus dem Ventilsitz heraus in den Brennraum des Zylinders versetzt, und die Auslaßöffnung des Zylinders geöffnet. Wenn ein gewünschter Ventilhub erreicht ist, wird das erste Magnetventil 10 geschlossen.

Zum Schließen des Auslaßventils 14 wird das zweite Magnetventil 17 geöffnet, so daß das in der ersten Kammer 11 befindliche Hydraulikmedium durch das ge­ öffnete zweite Magnetventil 17 zu der Druckversorgungseinrichtung zurückfließen kann. Das von der Druckversorgungseinrichtung unter Druck an die zweite Kammer 16 angelegte Hydraulikmedium strömt dann in die zweite Kammer 16 und versetzt damit den Ventilfuß 13 in Fig. 2 nach oben. Damit wird das Auslassventil 14 in den Ventilsitz zurückversetzt und die Auslaßöffnung des Brennraums verschlossen.

Gaswechselsteller dieser Art ermöglichen für jedes Auslaß- und jedes Einlaßventil des Ottomotors eine individuelle Ventilansteuerung.

Die in Fig. 1 gezeigte Ventilöffnungsansteuereinrichtung 7 ist ausgestaltet, die Ansteuerung, das heißt die an die Gaswechselstelle 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E ausgegebene Signale dergestalt auszubilden, daß alle sechs Zylinder des Ottomotor in dem mageren Betriebszustand betrieben werden, wenn die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 kein Ausgangssignal des Vergleichers 6 emp­ fängt.

Die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 ist ferner ausgebildet, daß wenn der Ver­ gleicher 6 ein Ausgangssignal an die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 ausgibt, die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 die Ansteuerung der Einlaß- und Auslaß­ ventile der sechs Zylinder dergestalt zu steuern, daß zumindest einer der Zylinder der Brennkraftmaschine in dem homogenen Betriebszustand betrieben wird und die verbleibenden Zylinder in dem mageren Betriebszustand betrieben werden.

Der Betriebszustand der einzelnen Zylinder des Ottomotors wird von der Ventil­ öffnungssteuereinrichtung 7 durch Variieren des Öffnungs- und Schließzeitpunkts, des Öffnungshubs und einer Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Auslaß- und/oder Einlaßventile gesteuert. Bei vor­ gegebenen Kraftstoffmengen stellt die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 den ho­ mogenen bzw. der mageren Betriebszustand durch Steuerung der Frischluftfül­ lung bzw. des Verbrennungs- bzw. Restgases in den Zylindern ein.

Die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 steuert die Frischluftfüllung eines Zylinders wird hauptsächlich mittels der Steuergröße Winkel-Einlaß-Schließt (Es) und einem Hub des Einlaßventils. Wenn der Hub des Einlaßventils ausreichend groß ist, daß kein nennenswerter Differenzdruck, d. h. kein Druckunterschied zwischen dem Zylindertrennraum und einem Einlaßkanal des Zylinders besteht, ist der Winkel-Einlaß-Schließt die Steuergröße, mit der die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 eine Frischluftfüllungssteuerung realisiert. Hierbei kann beispielsweise mit einem frühen Winkel-Einlaß-Schließt, d. h. einem Schließen des Einlaßventils vor einem unteren Totpunkt eines Kolbens, eine Frischluftfüllung des Zylinders begrenzt werden. Ferner ist es möglich, mit einem späten Schließen des Einlaßventils, das heißt einem späten Winkel-Einlaß- Schließt, die Frischluftfüllung in den Brennraum des Zylinders zu beschränkten, da die schon in den Brennraum eingeströmte Frischluftfüllung teilweise wieder zurück ins Saugrohr verdrängt wird.

Die zweite Hauptsteuergröße für die Frischluftfüllung des Zylinders ist die Steuergröße Hub, das heißt der Hub des Einlaßventils.

Der Hub bestimmt einen Einlaß- bzw. Auslaßquerschnitt des Ventils und damit den Differenzdruck an dem Ventil. Oberhalb eines bestimmten Ventilhubs der von der Ausgestaltung eines Saugrohrs und des Ventils bzw. des Ventilsitzes abhängt, wird ein weitgehender Druckausgleich erzielt. Dies bedeutet, daß die Druckdifferenz sehr schnell nach dem Öffnen des Ventils nahezu null wird.

Dementsprechend sind bei einem großen Hub Öffnungs- und Schließvorgang des jeweiligen Ventils entkoppelt. Dies bedeutet, daß ein frühes bzw. ein spätes Öffnen des Auslasserventils, das heißt ein früher oder später Winkel-Auslaß-Öff­ net nur wenig die verbleibende Restgasmenge beeinflußt. Im Gegensatz dazu sind bei einem kleinen Hub die Öffnungs- und Schließvorgänge stark gekoppelt. Dies bedeutet, daß eine Öffnungszeitfläche die als die Öffnungszeit in Kurbelwinkeleinheiten mal dem Öffnungshub definiert ist, für den Ladungswechsel, d. h. den Austausch der Gasfüllung in dem Brennraum entscheidend ist.

Der Hub des Einlaß- bzw. des Auslaßventils ist von einer Drehzahl des Ottomo­ tors abhängig. Ein hohe Drehzahl erfordert einen großen Hub, um einen Dru­ ckausgleich zu ermöglichen. Bei einer niedrigen Drehzahl genügt ein geringerer Hub. Ein zu kleiner Hub jedoch führt zu Strömungsverlusten an einem Spalt zwi­ schen dem Ventilsitz und dem Ventil.

Eine bei einem Ansaugvorgang in dem Brennraum des Zylinders befindliche Restgasmenge der Verbrennung wird durch einen Winkel-Einlaß-Öffnet, d. h. dem Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils, zusammen mit einem Winkel-Auslaß- Schließt, d. h. dem Schließzeitpunkt des Auslaßventils, bestimmt. Die Steuergrößen Winkel-Einlaß-Öffnet und Winkel-Auslaß-Schließt beeinflussen die Frischluftfüllung des Brennraums des Zylinders dergestalt, daß sie das Restgas einer vorangegangenen Verbrennung bei dem folgenden Ansaugvorgang steuern. Wenn sich bei dem folgenden Ansaugvorgang viel Restgas in dem Brennraum es Zylinders befindet, kann nur wenig Frischgas zugeführt werden. Wenn sich bei dem folgenden Ansaugvorgang wenig Restgas in dem Brennraum es Zylinders befindet, kann eine größere Menge Frischgas zugeführt werden.

Es kann die gleiche Frischluftfüllung erzielt werden, indem entweder der Einlaß­ hub des Einlaßventils verringert wird oder bei großen Einlaßventilhub die Steuer­ größe Winkel-Einlaß-Schließt nach früh oder nach spät verschoben wird.

Somit steuert die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 bei einer vorgegebenen Kraftstoffmenge durch Kombination der Steuergrößen Winkel-Einlaß-Schließt, Winkel-Einlaß-Öffnet, Winkel-Auslaß-Schließt, Winkel-Auslaß-Öffnet und dem jeweiligen Hub der Ventile, die Luftfüllung der jeweiligen Zylinder durch Ansteuerung der Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E dergestalt, daß die entsprechenden Zylinder entweder in dem homogenen oder dem mageren Betriebszustand betrieben werden.

Ferner ist die Ventilöffnungsteuereinrichung 7 ausgestaltet, die Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E bei Empfang des Ausgangssignals des Vergleichers 6 dergestalt anzusteuern, daß ein Teil der beispielsweise sechs Zylinder des Ottomotors in einem homogenen Betriebszustand betrieben wird und ein zweiter Teil, nämlich die verbleibenden Zylinder des Ottomotors, in dem mageren Betriebszustand betrieben werden. Vorzugsweise ist die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 ausgebildet, die Anzahl der Zylinder, die in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden, mit einem Anstieg des Drehmoments M zu erhöhen. Dies bedeutet, daß mit zunehmendem Drehmoment des Ottomotors immer weniger Zylinder in dem mageren Betriebszustand betrieben werden.

Nun mit Verweis auf Fig. 3 detailliert beschrieben wie die Ventilöffnungsteuer­ einrichtung 7 die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine die in dem homo­ genen Betriebszustand betrieben werden, verändert. Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einen Drehmomentenbeitrag der Zylinder in dem homogenen Betriebszustand zu dem geforderten Drehmoment des Ottomotors in Abhängig­ keit des Drehmoments des Ottomotors, und einen Anteil homogener Verbrennungsvorgänge, von allen Verbrennungsvorgängen, in Abhängigkeit von dem Drehmoment des Ottomotors zeigt.

In Fig. 3 ist entlang der Abszisse das geforderte Drehmoment des Ottomotors in Prozent von dem maximalen geforderten Drehmoment des Ottomotors angetragen. Das geforderte Drehmoment ist ein Solldrehmoment des Ottomotors, das von einer Leistungssteuereinrichtung, wie beispielsweise einem Gaspedal, wenn der Ottomotor in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, vorgegeben wird. Entlang der linken Ordinate des Diagramms in Fig. 3 ist das im jeweiligen Homogen-/Schicht-Splitbetrieb erreichbare Drehmoment des Ottomotors in Prozent von dem maximalen Drehmoment des Ottomotors angetragen. Entlang der rechten Ordinate des Diagramms von Fig. 3 ist der Anteil der Zylinder, die bei Split-Betrieb in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden, in Prozent von der Gesamtzahl der Zylinder des Ottomotors angetragen.

Die Bezugsziffer 18 in dem Diagramm von Fig. 3 bezeichnet einen Graph mit ausgefüllten Quadraten, der den Anteil homogener Verbrennungen angibt. Wie dem Diagramm von Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Anteil homogener Verbren­ nungen der in dem Ottomotor stattfindenden Verbrennungen bis zu dem Drehmomentschwellwert S_W, der hier bei 60% des Drehmoments des Ottomotors liegt, null. Je nach der Konstruktionsweise des Ottomotors kann der Schwellwert S_W auch in einem Bereich zwischen 50% und 60% liegen. Schaltet man beispielsweise jeden vierten Zylinder auf homogen, so erhöht sich der Anteil der Zylinder, die in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden, auf 25%. Schaltet man jeden dritten Zylinder nach homogen, so liegt der Anteil bei 33%. Der Anteil der homogenen Verbrennungen und damit die Zahl der in dem homogenen Zustand betriebenen Zylinder kann so schrittweise und in Stufenform bis auf 85% des geforderten Drehmoments des Ottomotors erhöht werden (1/4, 1/3, ½, 2/3, ¾). Ab 85% des geforderten Drehmoments des Ottomotors werden im gezeigten Beispiel alle Zylinder des 4 Zylinder-Ottomotors in dem homogenen Betriebszustand betrieben.

Die Bezugsziffer 19 in Fig. 3 bezeichnet einen Graph mit ausgefüllten Dreiecken, der den Momentenbeitrag der Zylinder, die in dem homogenen Be­ triebszustand betrieben werden, in Prozent von dem maximalen Drehmoment des Ottomotors darstellt.

Wie dem Diagramm von Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Momentenbeitrag der homogen betriebenen Zylinder bis zu dem Drehmomentschwellwert S_W bei 60 % des maximalen Drehmoments des Ottomotors. Dann steigt der Momentenbeitrag der homogen betriebenen Zylinder schrittweise mit der gleichen Anzahl von Schritten, wie der Anteil der homogenen Verbrennungen die mit dem Graph 18 dargestellt sind, an. Die Schritte in dem Graph 19 sind synchron zu den Schritten in Graph 18. Die Schritte in Graph 19 weisen eine steile Wachstumsflanke gefolgt von einem kurzen Abfall auf. Der Steigungswinkel der Flanke nimmt mit Zunahme der homogen betriebenen Zylinder des Ottomotors ab. Da ab 85% des geforderten Drehmoments alle Zylinder des Ottomotors in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden, ist oberhalb von 85% des geforderten Drehmoments ein Momentenbeitrag der Zylinder, die in dem mageren Betriebszustand betrieben werden, null.

Im folgenden wird nun mit Verweis auf Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Steuereinrichtung beschrieben.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Steuereinrichtung zeigt.

Nach dem Start in Schritt S1 bestimmt die Drehmomenterfassungseinrichtung 4 das Drehmoment M der Brennkraftmaschine. Dann geht die Verarbeitung zu Schritt S3, in dem die Drehmomentschwellwertvorgabeeinrichtung 5 den Drehmomentschwellwert S_M bestimmt. Vorzugsweise geschieht dies durch Aus­ lesen eines vorbestimmten Drehmomentschwellwertes S_M aus einem Nurlese­ speicher.

Es ist jedoch auch möglich, den Schwellwert S_M aus einer look-up Tabelle auf der Grundlage von Motorzustandsgrößen, wie beispielsweise dem geforderten Drehmoment des Ottomotors, dem augenblicklichen Drehmoment des Ottomotors, der Drehzahl oder der Temperatur, die jeweils mittels Sensoren erfaßt werden, auszulesen.

Dann geht die Verarbeitung weiter zu Schritt S4, in dem der Vergleicher 6 be­ stimmt, ob das in Schritt S2 erfaßte Drehmoment M größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert S_M ist. Wenn das Drehmoment M kleiner als der Drehmomentschwellwert S_M ist, geht die Verarbeitung weiter zu Schritt S5, in dem die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 die Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E dergestalt ansteuert, daß alle Zylinder des Ottomotors, d. h. im vorliegenden Bei­ spiel alle sechs Zylinder, in einem mageren Betriebszustand betrieben werden. Die Ventilöffnungssteuereinrichtung 7 stellt den mageren Betriebszustand mittels Steuerung der Steuergrößen Winkel-Einlaß-Schließt, Winkel-Einlaß-Öffnet, Winkel-Auslaß-Schließt, Winkel-Auslaß-Öffnet und dem Hub des Einlaß- und Auslaßventils ein. Dann endet die Verarbeitung in Schritt S7

Stellt der Vergleicher 6 in Schritt S4 fest, daß das Drehmoment M größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert S_M ist, geht die Verarbeitung weiter zu Schritt S6, in dem ein Teil der Zylinder des Ottomotors in einem homogenen Be­ triebszustand betrieben werden und die verbleibenden Zylinder in dem mageren Betriebszustand. Dies wird realisiert, indem die Ventilöffnungssteuereinrichtung die Gaswechselsteller 8 _1A, 8 _1E bis 8 _6E dergestalt ansteuert, daß die Öffnungs- und Schließzeiten sowie der Hub der Einlaß- und Auslaßventile der entsprechenden Zylinder variiert wird, so daß einzelne Zylinder in dem homogenen Betriebszustand betrieben werden und der Rest der Zylinder in dem mageren Betriebszustand.

Das beschriebene Verfahren wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich aufgeführt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern, umfassend folgende Schritte:

• - Vergleichen (S4) eines Drehmoments (M) der Brennkraftmaschine mit einem Drehmomentschwellwert (S_W);
• - Betreiben aller Zylinder der Mehrzahl von Zylindern in einem mageren Betriebszustand, wenn das Drehmoment (M) kleiner als der Drehmoment­ schwellwert (S_W) ist;
• - Betreiben einer ersten Anzahl der Mehrzahl von Zylindern in einem ho­ mogenen Betriebszustand und einer verbleibenden zweiten Anzahl der Mehrzahl von Zylindern in dem mageren Betriebszustand, wenn das Drehmoment (M) größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert (S_W) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl von Zylindern mit einem Drehmomentenanstieg ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentschwellwert bei 60% eines maximalen Drehmoments der Brennkraftmaschine liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ma­ gere und der homogene Betriebszustand durch Steuerung von Ventilöffnungs­ zeiten von zumindest einem einer Mehrzahl von Ventilen jedes Zylinders der Mehrzahl von Zylindern, eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein Verbrennungsmotor mit Benzin- Direkteinspritzung mit voll-variablem Ventiltrieb ist.

6. Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Brennkraftmaschine in der jeder einer Mehrzahl von Zylindern eine Mehrzahl von Ventilen aufweist und zumindest ein Ventil der Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl von Zylindern einen voll-variablen Ventiltrieb aufweist, umfassend
eine Vergleichereinrichtung (6) zum Vergleichen eines Drehmoments (M) der Brennkraftmaschine mit einem Drehmomentschwellwert (S_M); und
eine Ventilöffnungsansteuereinrichtung (7) die eine Ansteuerung von dem zumindest einen Ventil mit voll-variablem Ventiltrieb der Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl der Zylinder dergestalt steuert, dass alle der Mehrzahl von Zylindern in einem mageren Betrieb betrieben werden wenn das Drehmoment kleiner als der Drehmomentschwellwert ist, und, wenn das Drehmoment größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist, die Ansteuerung von dem zumindest einen Ventil mit voll-variablem Ventiltrieb der Mehrzahl von Ventilen von jedem der Mehrzahl der Zylinder dergestalt steuert, dass eine erste Anzahl von Zylindern der Mehrzahl von Zylindern in einem homogenen Betriebszustand betrieben wird, und eine zweite Anzahl von verbleibenden Zylindern der Mehrzahl von Zylindern in dem mageren Betriebszustand betrieben werden.

7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilöffnungsansteuereinrichtung (7) die erste Anzahl von Zylindern mit einem Drehmomentenanstieg erhöht.

8. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentschwellwert bei 60% eines maximalen Drehmoments der Brennkraftmaschine liegt.

9. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein Verbrennungsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung ist.