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DE102004026405A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung und mit einem im Hinblick auf seine Einlassventilsteuerzeiten und/oder seinen Einlassventilhub variablen Einlassventilantrieb, wobei bei Erkennung einer positiven Lastanforderung während des Laderbetriebs der mindestens eine variable Einlassventilantrieb derart angesteuert wird, dass eine vorhandene Hubreserve und/oder Einlass-Schließ-Steuerzeitenreserve zur Erhöhung der Ladungsmenge (Luftmasse) ausgenutzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine – insbesondere einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug – gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Laststeuerung bei einer Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventilantrieb wird im wesentlichen bestimmt durch einerseits den Einlassventilhub und/oder die Einlasssteuerzeit, während der ein Einlassventil die Einlassöffnung zum Brennraum freigibt und so die vorhandene Luftmasse bzw. Ladung dem Brennraum zugeführt werden kann (bzw. die Ladung angesaugt wird), und andererseits durch die Dichte der vorhandenen Ladung. Die Dichte und damit die Kompression der vorhandenen Ladung ist bei einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung wiederum abhängig von der Art der Ladereinrichtung als solcher sowie von der Betriebsart und dem jeweiligen Betriebspunkt der verwendeten Ladereinrichtung. Bei einem etwa in 1 angedeuteten Abgasturbolader ist der vom Abgasturbolader aufgebaute Druck abhängig von der Stellung des Ventils eines ggf. vorhandenen Bypasses und dem im Abgastrakt vorherrschenden Zustand (Druck, Temperatur, Abgasgeschwindigkeit ...). Eine Erhöhung der Ladungsmenge für den Brennraum kann zum einen durch Verlängerung der Einlassventilöffnungszeit und zum anderen durch Erhöhung des Ladungsdruckes im Ansaugtrakt erfolgen.
  • Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit variabler Steuerung der Gaswechselventile (im folgenden Ventile genannt) sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. In der MTZ Motortechnische Zeitschrift Nr. 62, Seite 44–55, Der elektromechanische Ventiltrieb – Systembaustein für zukünftige Antriebskonzepte, Teil 2, aus dem Jahr 2001, wird u.a. die Laststeuerung einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventilantrieb anhand der Steuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt und Spätes-Einlass-Schließt beschrieben.
  • Unter dem Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt bzw. Spätes-Einlass-Schließt wird im Sinne der Erfindung ein Laststeuerverfahren für eine Brennkraftmaschine mit variablem Ventilantrieb und ohne Ladereinrichtung bzw. ohne Laderbetrieb verstanden, bei dem die jeweils aufgrund einer Lastanforderung einzustellende Ladungsmenge über die Öffnungszeit bzw. die Steuerzeiten der Einlassventile geregelt wird.
  • Beim Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt erfolgt die Ansteuerung derart, dass die Einlassventile jeweils nur genau solange geöffnet bleiben, bis die gewünschte Ladungsmenge eingestellt ist (Einlassventile für Mindestdauer geöffnet). Beim Laststeuerverfahren Spätes-Einlass-Schließt erfolgt die Ansteuerung der Einlassventile derart, dass diese über die, für die gewünschte Ladungsmenge erforderliche Zeit hinaus geöffnet sind und die dadurch im Vergleich zur gewünschten Mindest-Ladungsmenge zuviel angesaugte Ladungsmenge vor dem Schließen des Einlassventils wieder ausgeschoben wird.
  • Eine Erweiterung dieser Laststeuerverfahren ist durch das bei Brennkraftmaschinen mit einem variablen Ventilantrieb und einer Ladereinrichtung vielfach angewandte sogenannte Miller-Verfahren bekannt, bei dem im Sinne der Erfindung die Steuerung der gewünschten Ladungsmenge durch die Ansteuerung der variabel steuerbaren Einlassventile gemäß einer Laststeuerung Frühes- oder Spätes-Einlass-Schließt in Verbindung mir einem aktiven Laderbetrieb erfolgt.
  • Bei herkömmlichen Saugmotoren mit einem variablen Ventilantrieb entspricht die vorgesteuerte Last aufgrund der Zyklenkonsistenz jederzeit – also auch im instationären Motorbetrieb – der tatsächlich vorhandenen Motorlast. Problematisch ist , dass bei einem aufgeladenen Motor mit einem variablen Ventilantrieb nicht gewährleistet werden kann, dass die vorgesteuerte Last auch der tatsächlich im nächsten Zyklus vorhandenen Last entspricht, da der Ladedruck, der für das Erreichen der gewünschten Last erforderlich ist, nicht im darauffolgenden Arbeitsspiel (Zyklus) dargestellt werden kann. Im Instationärbetrieb ist somit immer eine Differenz zwischen dem geforderten und dem tatsächlich vorhandenen Ladedruck vorhanden. Die vom Fahrer oder einem Regelsystem erwünschte Laständerung kann wegen des zeitlichen Verzugs des Ladedruckaufbaus nicht sofort dargestellt werden (sog. Turboloch).
    •
  • Die Erfindung baut auf dem Gedanken der Laststeuerung gemäß dem vorstehend beschriebenen Miller-Verfahren (Frühes/Spätes-Einlass-Schließt in Verbindung mit einem Laderbetrieb) auf. Es soll ein Verfahren angegeben werden, mittels welchem das instationäre Ansprechverhalten einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit zumindest einlassseitig variablem Ventilantrieb verbessert wird. Insbesondere sollen kürzere Zeiten zur Erfüllung auftretender Lastanforderungen gewährleistet werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass bei einer Brennkraftmaschine während des Laderbetriebs eine im Hinblick auf die Einlass-Schließt-Steuerzeit und/oder den Hub eines vorhandenen variablen Einlassventilantriebs vorhandene Reserve (Steuerzeitenreserve bzw. Hubreserve) zusätzlich genutzt wird – indem in jedem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine bis zum erreichen der vorgegebenen Soll-Last dem Brennraum eine erhöhte Ladungsmenge (insbesondere Luftmasse) zugeführt wird – kann die zur Erfüllung der Lastanforderung erforderliche Zeit erheblich verringert und somit das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verkürzt werden.
  • Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ladereinrichtung derart betrieben, dass diese stets den maximal möglichen Ladedruck bereitstellt. Beispielsweise könnte eine steuerbare Bypasseinrichtung, wie sie in der Regel bei einem Abgasturbolader vorhanden ist, somit entfallen. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass zumindest – ausgehend von einem im Vergleich zum vorhandenen Umgebungsdruck erhöhter Ladedruck – ein nochmals erhöhter Ladedruck erzeugt wird.
  • Der Einlassventilantrieb wird im stationären Betrieb (ohne Lastsprung) vorzugsweise derart angesteuert (hinsichtlich Ventilhub und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeit), dass bei maximal möglichem Ladedruck stets gerade die zur Erfüllung der Lastanforderung erforderliche Mindestladungsmenge bereitgestellt wird (Frühes/Spätes-Einlass-Schließt-Steuerverfahren und/oder Einlassventil-Hubsteuerung). Hierdurch bedingt ist während des stationären Betriebs unterhalb der Volllast (maximal einstellbare Motorlast, vorgegeben durch die Motorsteuerung aufgrund spezifischer Motordaten) die beschriebene abrufbare Reserve hinsichtlich Ventilhub und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeit (Differenz der Steuerzeit bei Mindestladungsmenge zu Steuerzeit bei UT bzw. im Bereich von UT) vorhanden.
  • Ist nach einer – insbesondere sprunghaft erfolgten – Lastanforderung und eines aufgrund der Lastanforderung erfolgten Reserveabrufs (z.B. durch Verlängerung der Einlassventil-Öffnungszeit), etwa aufgrund eines Fahrerwunsches, die vorgegebene Ziellast erreicht, wird vorzugsweise der mindestens eine variable Einlassventilantrieb derart angesteuert, dass eine bestimmte Reserve, insbesondere die ursprünglich vorhandene Hubreserve und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve, wieder eingestellt wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: die schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung und variablem Ventilantrieb,
  • 2: ein Ventil-Steuerzeitdiagramm für die Laststeuerung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 3a: ein Diagramm zur Veranschaulichung des Instationärverhaltens einer Brennkraftmaschine mit zumindest einlassseitig vollständig variablem Ventilantrieb – bezüglich des Ladedruckes – bei unterschiedlichen Laststeuerverfahren,
  • 3b: ein Diagramm zur Veranschaulichung des Instationärverhaltens einer Brennkraftmaschine mit zumindest eingangsseitig vollständig variablem Ventilantrieb – bezüglich der dem Brennraum zugeführten Ladungsmenge – bei unterschiedlichen Laststeuerverfahren, und
  • 4: ein Balken-Flächendiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Brennkraftmaschine 2 mit einem elektromagnetischen vollvariablen Ventilantrieb 4 (mit variablem Einlassventilantrieb 4a und variablem Auslassventilantrieb 4b) und einer Steuereinrichtung 6 zur gezielten Ansteuerung des elektromagnetischen variablen Ventiltriebs 4. Ein derartiger vollvariabler Ventilantrieb kann beispielsweise elektrisch, elektromagnetisch oder hydraulisch ausgebildet sein. Wesentliches Merkmal eines derartigen Antriebs ist die individuelle Ansteuerbarkeit bzw. Verstellbarkeit einzelner Ventile oder Ventilgruppen. Die Brennkraftmaschine 2 ist abgasseitig über eine Abgasleitung 10 und ansaugseitig über eine Ansaugleitung 20 mit einer Ladereinrichtung 8 (z.B. Abgasturbolader) verbunden. Durch den von der Brennkraftmaschine 2 erzeugten Abgasstrom ist die Ladereinrichtung 8 über ihr Turbinenrad 8a antreibbar. Das Turbinenrad 8a der Ladereinrichtung 8 ist über eine Welle 8c mit einem Verdichterrad 8b verbunden, so dass durch den Antrieb des Turbinenrades 8a und den damit zwangsweise verbundenen Antrieb des Verdichterrades 8b Frischluft von außen angesaugt und im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 2 verdichtet wird. Hierdurch sind deutliche Leistungssteigerungen der Brennkraftmaschine 2 möglich. Die erforderlichen Informationen zur Ansteuerung des elektromagnetischen Ventilantriebs 4 erhält die Steuereinrichtung 6 über eine Motorsteuereinrichtung MSE in Abhängigkeit von verschiedensten Betriebsparametern P.
  • 2 zeigt schematisch den Verlauf der Öffnungs- und Schließphasen von Einlass- und Auslassventil der Brennkammer eines Ottomotors. Dabei beginnt im Bereich des unteren Totpunktes UT des Kolbens der Brennkraftmaschine das Auslassventil zu Öffnen (AÖ), um das verbliebene Abgas aus dem letzten Verbrennungszyklus auszustoßen. Im Bereich des oberen Totpunktes OT wird das Auslassventil wieder geschlossen (AS), während das Einlassventil der selben Brennkammer beginnt den Einlasskanal zur Befüllung der Brennkammer freizugeben (EÖ). Das Einlassventil wird in Abhängigkeit von der angeforderten Last bei einem Steuerverfahren gemäß Frühes-Einlass-Schließt frühestmöglich den Einlasskanal wieder verschließen (ES), sobald eine ausreichende Ladungsmenge zur Erfüllung der Lastanforderung vorhanden ist. Die erforderliche Mindest-Ladungsmenge wird anhand von Rechenmodellen durch die Motorsteuereinrichtung MSE ermittelt. Aufgrund der Laststeuerung Frühes-Einlass-Schließt im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine 2 (unterhalb des Volllastbetriebs) verbleibt eine Öffnungszeitreserve (Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve t_res) des Einlassventils. Im vorliegenden Beispiel schließt das Einlassventil im aktuellen Zyklus bereits bei zirka 470 Grad. Aufgrund einer positiven Lastanforderung (Lastsprung) würde das Einlassventil in nächsten Zyklus frühestmöglich bei beispielsweise 490 Grad schließen um die bestehende Lastanforderung zu bewältigen. Bis zum Steuerzeitpunkt der Volllast (Bereich des unteren Totpunktes UT im Ansaug-Takt) verbleibt demnach noch eine Öffnungszeitreserve t_res von zirka 50 Grad. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise die gesamte Öffnungszeitreserve t_res oder alternativ zumindest ein Teil hiervon genutzt, um die Befüllung des Brennraumes zu beschleunigen. Bei einem erkannten positiven Lastsprung wird demnach unter erhöhtem, insbesondere maximalem, Ladedruck und unter Nutzung einer vorhandenen (Öffnungszeit) Reserve pro Zyklus eine erhöhte Ladungsmenge zur Befüllung des Brennraums zugeführt.
  • 3a zeigt in einem Diagramm, Ladedruck pl über der Zeit t, das unterschiedliche Ladedruckverhalten einer Brennkraftmaschine bei einem Laststeuerverfahren gemäß Miller und bei einem Laststeuerverfahren gemäß der Erfindung. Durch die stufenartigen Kurvenverläufe der Soll-Last L_soll und dem dieser Soll-Last L_soll zugeordneten Soll-Ladedruck pl_soll sind die aufgrund eines Fahrerwunsches erforderlichen und über die Motorsteuereinrichtung in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch ermittelten Sollwerte vorgegeben.
  • Nach dem eingangs beschriebenen Millerverfahren wird bei Ansteuerung des variablen Ventilantriebs 4 gemäß dem ebenfalls bereits eingangs erläuterten Laststeuerverfahren Frühes-Einlass-Schließt der Ladedruck auf einen vordefinierten Wert erhöht und auf diese Weise die gewünschte Ladungsmenge dem Brennraum zugeführt. Es stellt sich beispielsweise eine Ladedruckkurve gemäß pl_ist_miller ein.
  • Schließlich wird gemäß der Erfindung bei Erkennung eines positiven Lastsprunges unmittelbar die Ventilöffnungszeit unter zumindest teilweiser Ausnutzung der Öffnungszeitreserve t_res verlängert und dadurch, dass ferner die vorhandene Ladereinrichtung stets mit erhöhter – vorzugsweise mit maximal möglicher – Ladeleistung betrieben wird, ein im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren schnellerer Ladedruckanstieg und ein deutlich schnelleres Erreichen der Soll-Last L_soll erreicht. Hierdurch ist bereits vor Erreichen des Soll-Ladedruckes pl_soll eine ausreichende Ladungsmenge bereitgestellt, so dass bei weiter bis zum Soll-Ladedruck pl_soll ansteigendem Ladedruck ab diesem Zeitpunkt die genutzte Öffnungszeitreserve t_res in, den folgenden Zyklen wieder aufgebaut werden kann. Es stellt sich beispielsweise eine Ladedruckkurve gemäß pl_ist_neu ein.
  • Neben den sich einstellenden Ladedrücken pl ist im Diagramm gemäß 3a in deren unteren Teil das Öffnungsverhalten der Einlassventile (Einlass-Schließt-Winkel über der Zeit) dargestellt. Dabei wird beim Miller-Verfahren zur Bereitstellung der erforderlichen Mindest-Ladungsmenge während des Laderbetriebs die Ventilöffnungszeit neu eingestellt, indem die Steuerzeit Einlass-Schließt von 470 Grad auf 490 Grad verschoben wird (Kurve K1).
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Reaktion auf einen positiven Lastsprung unmittelbar die Ventilöffnungszeit unter Ausnutzung der Öffnungszeitreserve verlängert und so eine im Vergleich zur erforderlichen Mindest-Ladungsmenge erhöhte Ladungsmenge der Brennkammer zugeführt und damit der noch nicht eingestellte Soll-Ladedruck pl_soll teilweise oder vollständig ausgeglichen. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Verschiebung der Steuerzeit Einlass-Schließt statt von 470 Grad auf 490 Grad, von 470 Grad auf beispielsweise 540 Grad (Kurve K2). So wird bei erhöhtem bzw. bei stets vorhandenem maximalen Ladedruck ein steilerer Ladedruckanstieg erreicht und bereits vor Erreichen des Soll-Ladedruckes pl_soll die gewünschte Soll-Ladungsmenge L_soll bereitgestellt. Mit Erreichen der gewünschten Soll-Ladungsmenge L_soll werden in den Folgezyklen bereits die Ventilsteuerzeiten wieder zurückgefahren, so dass sofort wieder eine ausreichende Reserve für einen weiteren positiven Lastsprung zur Verfügung steht.
  • 3b zeigt in einem Diagramm, Ladungsmenge L über der Zeit t, das unterschiedliche Ladeverhalten einer Brennkraftmaschine bei den verschiedenen Laststeuerverfahren analog zu 3a. Gut zu Erkennen ist der gewonnene Zeitvorteil Δt des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Laststeuerverfahren nach Miller.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine vom Ist-Ladedruck abhängige Steuerkantenkorrektur erheblich verbessert und ein Zeitvorteil bei der Einstellung einer angeforderten Last (aufgrund eines positiven Lastsprungs) im Vergleich zu bekannten Verfahren erreicht.
  • 4 zeigt ein Balkenflächendiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erste Balkenfläche (Balkenfläche ist proportional zur Last) stellt einen Ausgangszustand mit einer stationären Last List während des Laderbetriebs dar. Zur Bereitstellung der stationären Last stellen sich definierte Einlass-Schließt-Steuerzeiten (ES) bei einem zugehörigen Ladedruck pl ein. Aufgrund eines Fahrerwunsches mit positiver Lastanforderung stellt sich eine Soll-Last L_soll gemäß der zweiten – im Vergleich zur ersten Balkenfläche um die Lastdifferenz aufgrund der Lastanforderung vergrößerten – Balkenfläche ein. Erfindungsgemäß wird der positiven Lastanforderung begegnet, indem unmittelbar die Einlassventile derart angesteuert werden, dass die vorhandene Steuerzeiten- und/oder Hubreserve der Einlassventile zumindest teilweise genutzt wird und zugleich der Ladedruck nochmals erhöht wird. Ist die angeforderte Soll-Last L_soll erreicht, und es hat sich eine der Lastanforderung entsprechende neue Istlast L_ist_neu eingestellt (zweite Balkenfläche mit gleichem Flächeninhalt wie die dritte Balkenfläche), wird der Ladedruck weiter erhöht und währenddessen zugleich die genutzte Reserve wieder eingestellt. Die neu eingestellte Istlast L_ist_neu, bei wieder neu aufgebauter Reserve, ist in der dritten Balkenfläche mit erhöhtem neuen Istladedruck und ursprünglich vorhandener Einlass-Schließt-Steuerzeit dargestellt.
  • Die Erfindung ist vorstehend beschrieben am Beispiel eines vollvariablen Ventilantriebs (z.B. elektromagnetischer oder hydraulischer variabler Ventilantrieb). Sie ist allerdings nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt, sondern kann selbstverständlich auch bei allen anderen variablen Ventilantrieben – so auch bei Ventilantrieben mit im Hinblick auf Ventilsteuerzeiten und/oder Ventilhub verstellbaren Nockenwellen – Anwendung finden.
    •

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Ladereinrichtung (8) und mit einem im Hinblick auf seine Einlassventilsteuerzeiten und/oder seinen Einlassventilhub variablen Einlassventilantrieb (4a), dadurch gekennzeichnet, dass – bei Erkennung einer positiven Lastanforderung während des Laderbetriebs der mindestens eine variable Einlassventilantrieb (4a) derart angesteuert wird, dass eine vorhandene Hubreserve und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve (t_res) zur Erhöhung der Ladungsmenge ausgenutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der durch die Lastanforderung vorgegebenen Ziellast der mindestens eine variable Einlassventilantrieb (4a) derart angesteuert wird, dass eine bestimmte – insbesondere die ursprünglich vorhandene – Hubreserve und/oder Einlass-Schließt-Steuerzeitenreserve (t_res) wieder eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladereinrichtung (8) derart angesteuert wird, dass sie stets den maximal möglichen Ladedruck bereitstellt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine variable Einlassventilantrieb (4a) im Hinblick auf Einlassventilhub und/oder Einlassventilsteuerzeit im stationären Betrieb derart angesteuert wird, dass lediglich die zur Erfüllung der vorliegenden Lastanforderung erforderliche Mindestladungsmenge bereitgestellt wird.
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