DE102008008117A1

DE102008008117A1 - Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit einer verstellbaren Nockenwelle

Info

Publication number: DE102008008117A1
Application number: DE102008008117A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dell; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-13
Also published as: US20090199807A1; US7762226B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine während einer Stoppphase und während einer nachfolgenden erneuten Startphase der Brennkraftmaschine. Derartige Verfahren kommen insbesondere bei so genannten Start-Stopp-Konzepten für Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Die Nockenwelle steuert Einlassventile und/oder Auslassventile der Brennkraftmaschine und ist durch einen Nockenwellenversteller verstellbar. Durch eine Startsolllage des Nockenwellenverstellers sind Steuerzeitpunkte der Einlassventile und/oder der Auslassventile definiert, bei denen eine zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit gesenkt ist und/oder eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gesenkt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der Nockenwellenversteller während der Stoppphase in eine Stoppsolllage gestellt wird. Während eines ersten Abschnittes der Startphase wird der Nockenwellenversteller aus der Stoppsolllage in die Startsolllage gestellt. Während eines zweiten Abschnittes der Startphase erfolgt ein Stellen des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von gemessenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine. im Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer durch einen Nockenwellenversteller verstellbaren Nockenwelle.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine während einer Stoppphase und während einer nachfolgenden erneuten Startphase der Brennkraftmaschine. Derartige Verfahren kommen insbesondere bei so genannten Start-Stopp-Konzepten für Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer durch einen Nockenwellenversteller verstellbaren Nockenwelle.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen für Start-Stopp-Konzepte für Verbrennungsmotoren bekannt, welche insbesondere zur Brennstoffeinsparung dienen. Diese Konzepte sehen vor, im Falle eines kurzzeitigen Stopps, beispielsweise ein Fahrzeugstopp vor einer roten Ampel oder in einem Stau, die Brennstoffzufuhr zu stoppen, wodurch der Betrieb des Verbrennungsmotors unterbrochen wird. Mit solchen Konzepten lässt sich der Brennstoffverbrauch bezogen auf den Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) um beispielsweise 3% bis 5% reduzieren. Gleichzeitig steigt durch die Realisierung eines Start-Stopp-Konzeptes die zu spezifizierende Starthäufigkeit aber erheblich an. Unter üblichen Fahrbedingungen steigt die erwartete Starthäufigkeit eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges von 50.000 auf 3.000.000 an. Zudem führen Start-Stopp-Konzepte zunächst zu einer erhöhten Geräuschemission, beispielsweise zu einer Erhöhung des NVH-Niveaus (Noise Vibration Harshness) in einem Kraftfahrzeug. Wird das Start-Stopp-Konzept mithilfe eines elektrischen Anlassermotors realisiert, so muss der Anlassermotor für die erhöhte Starthäufigkeit ausgelegt werden. Der Anlassermotor muss größer dimensioniert werden, wodurch Kosten und Masse des Anlassermotors steigen. Zusätzlich wird das Stromversorgungsnetz im Kraftfahrzeug bei jedem Startvorgang belastet, wodurch auch die Lichtmaschine und die Batterie des Kraftfahrzeuges größer dimensioniert werden müssen. Zusätzlich muss für jeden Startvorgang elektrische Energie aufgewendet werden, wodurch das Energieeinsparungspotenzial des Start-Stopp-Konzeptes gemindert wird.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Lösungen bekannt, bei denen der elektrische Anlassermotor teilweise oder vollständig ersetzt ist. Hierbei erfolgt der Start des Verbrennungsmotors durch Zünden eines Brennstoffs, welcher sich in mindestens einem der Zylinder des stillstehenden Verbrennungsmotors befindet. Ein solcher Start wird auch als Direktstart bezeichnet. Um eine Direktstart durchführen zu können, muss sich der Kolben des jeweiligen Zylinders innerhalb eines schmalen Kurbelwellenfensters befinden, der etwa 100° nach dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle gelegen ist.
Aus der DE 103 51 891 A1 sind ein Verfahren und ein Steuergerät zum Neustarten einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Neustarten erfolgt während eines aktuellen Betriebszeitraumes, nachdem die Brennkraftmaschine zuvor am Ende eines vorangegangenen Betriebszeitraumes abgeschaltet worden war. Um das Neustarten der Brennkraftmaschine ohne Anlassermotor zu ermöglichen, wird zunächst Kraftstoff in das Saugrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt, wenn sich deren Zylinder während der letzten vollen Umdrehung des vorangegangenen Betriebszeitraumes in einem Ansaugtakt befindet, sodass sich der Brennraum des Zylinders dann mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch füllt. Weiterhin wird der Kolben des Zylinders am Ende des vorangegangen Betriebszustandes in eine Stillstandsposition überführt, in welcher der Kolben eine Arbeitstaktstellung einnimmt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum eingeschlossen bleibt. Schließlich erfolgt das Neustarten der Brennkraftmaschine durch Zünden des in dem Brennraum eingeschlossenen Kraftstoff-Luft-Gemisches, solange das Gemisch noch zündfähig ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Überführen des Kolbens des Zylinders in eine Stillstandsposition eine genaue Positionierung des Kolbens erfordert, wobei eine Arbeit zum Komprimieren des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu leisten ist.
Die EP 1 586 765 A1 zeigt ein Verfahren und ein Steuersystem zum Positionieren einer Kurbelwelle beim Abstellen eines Verbrennungsmotors. Hierbei wird ein mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelter Elektromotor angesteuert, um die Kurbelwelle auf einen Startwinkel zu positionieren. Das Steuersystem umfasst eine Erfassungseinrichtung zum Empfangen und/oder Ermitteln eines Lagewinkels und/oder der Drehzahl der Kurbelwelle sowie eine Steuereinheit, die geeignet ist, einen Elektromotor in einer Regelungsbetriebsart abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle anzusteuern und die Kurbelwelle nach einem Stoppen des Verbrennungsmotors auf den Startwinkel zu verfahren. Der Verbrennungsmotor wird aus diesem Startwinkel heraus gestartet, wobei die Steuereinheit so gestaltet ist, dass der Elektromotor gemäß einer Steuerbetriebsart unterhalb einer vorgegebenen Grenzdrehzahl in einem gesteuerten Betrieb unabhängig von der Drehzahl angesteuert wird, sodass die Kurbelwelle auf den Startwinkel eingestellt wird. Diese Lösung weist den Nachteil auf, dass das Positionieren der Kurbelwelle beim Abstellen des Verbrennungsmotors aufwändig ist, wofür zudem zusätzliche Energie benötigt wird.
Die DE 197 43 492 A1 zeigt ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere der eines Kraftfahrzeuges. Dieses Verfahren ist für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die mit einem in einem Zylinder bewegbaren Kolben versehen ist, der eine Ansaugphase, eine Verdichtungsphase, eine Arbeitsphase und eine Ausstoßphase durchlaufen kann. Der Kraftstoff wird ent weder in einer ersten Betriebsart während der Verdichtungsphase oder in einer zweiten Betriebsart während der Ansaugphase direkt in einen durch Zylinder und Kolben begrenzten Brennraum eingespritzt. Gemäß diesem vorbekannten Verfahren wird der Kraftstoff in einer ersten Einspritzung in denjenigen Brennraum direkt eingespritzt, dessen zugehöriger Kolben sich in der Arbeitsphase befindet. Die mit diesem Verfahren erzeugbare Leistung zum Starten der Brennkraftmaschine reicht jedoch in vielen Fällen nicht aus.
Aus der DE 10 2006 012 384 A1 ist ein Startverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bekannt, welches in einem Hybridfahrzeug einen fremd gezündeten Verbrennungsmotor und einen Elektromotor für seinen Antrieb aufweist. Der Verbrennungsmotor wird aus dem Stillstand heraus ohne mechanische Anregung gestartet, indem mit dem Elektromotor zum Antrieb des Hybridfahrzeuges wenigstens ein Zylinder in eine geeignete Startposition zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 70° und 90°, Kurbelwinkel nach seinem oberen Totpunkt nach der Kompressionsphase gebracht wird. In diesen einen oder in diese mehrere Zylinder wird eine Menge Kraftstoff eingespritzt und nach der Einspritzung gezündet. Dieses Verfahren zur Umsetzung des Start-Stopp-Konzeptes ist auf Hybridfahrzeuge beschränkt.
Aus der DE 10 2004 046 182 A1 ist ein Verfahren für den verbrennungsgestützten Start-Stopp-Betrieb eines Motors mit Zylinder-Ventil-Abschaltung bekannt. Dieses Verfahren umfasst zunächst einen Schritt zum Einstellen eines Drosselventils, um einen Luftmassenstrom zu einem Motor eines Fahrzeugs bereitzustellen, der ausreicht, um ein Startdrehmoment zu schaffen. Weiterhin wird Kraftstoff, der ausreicht, um ein Startdrehmoment zu schaffen, während eines Ansaugtaktes eines Zylinders in den Zylinder des Motors eingespritzt. Zudem wird der Betrieb einer Zündkerze unterbrochen und es werden ein Auslassventil und ein Einlassventil des Zylinders gesperrt. In diesem Zustand wird der Motor abgeschaltet. Zum Einschalten des Motors wird ein Kolben des Zylinders zwischen einen oberen Totpunkt eines Verdichtungstaktes und einen unteren Totpunkt eines Arbeitstaktes oder zwischen einen oberen Totpunkt eines Ausstoßtaktes und einen unteren Totpunkt eines Ansaugtaktes positioniert. Eine Kraft stoff-Luft-Ladung, die ausreicht, um ein Startdrehmoment zu schaffen, wird in dem Zylinder mithilfe der Zündkerze gezündet. Schließlich werden das Einlassventil und das Auslassventil zugeschaltet. Auch dieses Verfahren erfordert ein aufwändiges Positionieren der Kolben während des Abschaltvorganges des Motors, wofür eine mechanische Arbeit zum Komprimieren des Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderlich ist. Zudem kann mit diesem Verfahren während des Startvorganges nicht gewährleistet werden, dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches weitgehend ideal erfolgt, sodass die Schadstoffemission während des Startvorganges erhöht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der DE 10 2004 046 182 A1 darin, beispielsweise im Rahmen eines Start-Stopp-Konzeptes einer Brennkraftmaschine das erneute Starten der Brennkraftmaschine zu erleichtern und/oder die Schadstoffemission während des erneuten Startens zu senken.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch 20 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine während einer Stoppphase und während einer erneuten Startphase der Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle steuert Einlassventile und/oder Auslassventile der Brennkraftmaschine. Hierbei kann es sich um eine Nockenwelle in einfacherer Ausführung handeln, welche sämtliche Einlassventile und Auslassventile steuert; oder es kann sich um eine Nockenwelle in mehrfacher Ausfertigung handeln, wobei jede einzelne Nockenwelle nur einen Teil der Einlassventile oder Auslassventile steuert. Grundsätzlich steuert die Nockenwelle das Öffnen und Schließen der Einlassventile und/oder der Auslassventile. Die Nockenwelle ist durch einen Nockenwellenversteller verstellbar, sodass die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile in Bezug auf die Stellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine veränderlich sind. Der Nockenwellenversteller erlaubt die Anpassung der Brennkraftmaschine an verschiedene Betriebszustände und/oder Anforderungen an die Brennkraftmaschine. Durch eine Startsolllage des Nockenwellenverstellers sind Steuerzeitpunkte der Einlassventile und/oder der Auslassventile definiert, bei denen eine zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit gesenkt ist und/oder eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gesenkt ist. Die zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit ist insbesondere dann gesenkt, wenn die Arbeit zum Komprimieren eines im Zylinder befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches gesenkt ist, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn sich im Vergleich zum gewöhnlichen Betrieb der Brennkraftmaschine eine geringere Menge des Brennstoff-Luft-Gemisches im Zylinder befindet. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Einlassventile später schließen, als dies im üblichen Betrieb der Fall ist. Gleichzeitig kann dadurch die Schadstoffemission gesenkt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der Nockenwellenversteller während der Stoppphase in eine Stoppsolllage gestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass sich der Nockenwellenversteller in einer definierten Position befindet, sodass diese dann auch während der nachfolgenden Startphase der Brennkraftmaschine bekannt ist, selbst wenn die Position des Nockenwellenverstellers in der Startphase noch nicht mithilfe von Sensoren bestimmt werden kann. Während eines ersten Abschnittes der Startphase wird der Nockenwellenversteller aus der Stoppsolllage in die Startsolllage gestellt. Dieser Schritt ermöglicht einen Startvorgang der Brennkraftmaschine, der hinsichtlich der zum Starten notwendigen mechanischen Arbeit und/oder der auftretenden Schadstoffemission optimiert ist. Während eines zweiten Abschnittes der Startphase erfolgt ein Stellen des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von gemessenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch das fortgesetzte Starten der Brennkraftmaschine hinsichtlich des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine optimal erfolgt. Hierfür können gemessene Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine genutzt werden, die während des ersten Abschnittes der Startphase noch nicht unbedingt vorliegen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es universell für Brennkraftmaschinen einsetzbar ist. Das Verfahren kann beispielsweise bei Vier-Takt-Motoren gemäß dem Otto-Prinzip angewendet werden. Das Verfahren ist für Start-Stopp-Konzepte geeignet, unabhängig davon, ob ein Startermotor verwendet wird oder nicht. Das Verfahren ist unabhängig von der Art des Antriebes des Nockenwellenverstellers anwendbar, beispielsweise für elektromotorisch oder hydraulisch angetriebene Nockenwellenversteller. Weiterhin ist das Verfahren auch für Verbrennungsmotoren geeignet, bei denen kein Start-Stopp-Konzept realisiert wird. Auch bei solchen Verbrennungsmotoren führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Brennstoffverbrauchsreduktion.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit einem Anlassermotor verwendet, so kann der Anlassermotor kleiner dimensioniert werden. Hierdurch wird weniger Bauraum für den Anlassermotor benötigt und es werden die Gesamtkosten gesenkt. Im Falle von riementreibenden Startermotoren wird die Last auf den Riemen reduziert. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird erhöht, da weniger Arbeit für den Startvorgang zu leisten ist. Hierdurch sinkt gleichzeitig beispielsweise die Belastung eines Spannungsversorgungsnetzes des Kraftfahrzeuges.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen eines Start-Stopp-Konzeptes genutzt, so ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass der Direktstart im Vergleich zu Realisierungen gemäß dem Stand der Technik auch bei höheren und niedrigeren Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Wahl der Steuerzeitpunkte der Einlassventile und der Auslassventile die Zylinderfüllung und der Restgasanteil beeinflusst werden können. Zudem kann das effektive Verdichtungsverhältnis durch die Wahl der Steuerzeitpunkte beeinflusst werden. Schließlich lässt sich durch die Wahl der Steuerzeitpunkte, insbesondere durch die Wahl des Zeitpunktes für das Schließen der Einlassventile, die Arbeit zur Kompression des Brennstoff-Luft-Gemisches beeinflussen. Bis zum Schlie ßen der Einlassventile kann ein sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegender Kolben weitgehend lastfrei die Luft bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors zurückschieben. Dadurch reduziert sich die zu leistende Arbeit zur Verdichtung des letztlich im Zylinder befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches. Gleichzeitig reduziert sich die zum Starten der Brennkraftmaschinen notwendige mechanische Arbeit.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Startsolllage und die Stoppsolllage identisch. Somit wird der Nockenwellenversteller bereits während der Stoppphase der Brennkraftmaschine in die Startsolllage gebracht, die einen optimalen Start ermöglicht. Alternativ kann das Verfahren so ausgeführt werden, dass die Startsolllage nahe der Stoppsolllage liegt, um die Startsolllage während des ersten Abschnittes der Startphase schnell einstellen zu können.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Stoppsolllage durch einen Anschlag des Nockenwellenverstellers definiert. Dies kann beispielsweise einer derjenigen Anschläge sein, welche die frühsten Steuerzeitpunkte oder die spätesten Steuerzeitpunkte der Einlassventile und der Auslassventile bewirken. Das Stellen des Nockenwellenverstellers bis zu einem Anschlag dient der Gewährleistung einer definierten Stoppsolllage, um ein sicheres Stellen eines Nockenwellenverstellers in die Startsolllage während des ersten Abschnittes der Startphase zu ermöglichen.
Durch die Stoppsolllage ist bevorzugt ein verspäteter Zeitpunkt zum Schließen der Auslassventile und ein verfrühter Zeitpunkt zum Öffnen der Einlassventile definiert. Dies führt zu einer großen Überschneidung der Arbeitsphasen der Brennkraftmaschine und zu einem hohen Restgasanteil bei der Verbrennung im Zylinder der Brennkraftmaschine. Schließlich wird hierdurch der Startvorgang der Brennkraftmaschine beeinflusst, da die Menge des Brennstoff-Luft-Gemisches im Zylinder zu Beginn des Startvorganges festgelegt ist.
Bevorzugt ist durch die Startsolllage ein verspäteter Zeitpunkt zum Schließen der Einlassventile definiert. Hierdurch ist die Menge des in den Zylinder zu ladenden Brennstoff-Luft-Gemisches reduziert, sodass weiterhin das effektive Verdichtungsverhältnis reduziert ist. Unter einem verfrühten oder verspäteten Zeitpunkt ist ein Zeitpunkt zu verstehen, der gegenüber dem in der gewöhnlichen Betriebsweise des Verbrennungsmotors eingestellten Zeitpunkt früher bzw. später in der zeitlichen Abfolge liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt das Stellen des Nockenwellenverstellers in die Stoppsolllage während der Stoppphase genau dann, wenn ein über einen Datenbus zur Verfügung gestelltes Signal zum Stoppen vorhanden ist und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen definierten Wert unterschreitet. Beispielsweise kann eine Motorsteuerung ein Stopp-Flag über ein Controller Area Network (CAN) übermitteln, was eine Absicht zum Stoppen des Verbrennungsmotors signalisiert. Ein weiters Signal, welches ein Stoppen des Verbrennungsmotors signalisiert, kann ausgelöst werden, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen definierten Wert unterschreitet. Das Vorliegen eines der beiden Signale oder beider Signale führt dazu, dass der Nockenwellenversteller in die Stoppsolllage gestellt wird. Die Stoppsolllage ist bis zum Abschluss der Stoppphase, d. h. bis zum Stillstand der Kurbelwelle, zu halten. Kann nicht garantiert werden, dass der Nockenwellenversteller vollständig bis in die Stoppsolllage während der Stoppphase gestellt wird, kann bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein gemessener Wert für die letztlich erreichte Lage des Nockenwellenverstellers in einem Speicher gespeichert werden. Während der Startphase der Brennkraftmaschine dient der gespeicherte Wert als Ausgangspunkt, um den Nockenwellenversteller in die Startsolllage zu stellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Abschnittes der Startphase kontinuierlich. Somit kann bereits während des zweiten Abschnittes der Startphase eine kontinuierliche Anpassung der Brennkraftmaschine an deren aktuelle Betriebskenngrößen erfolgen. Die Brennkraftmaschine kann dadurch schnell in die gewünschte Betriebsweise überführt werden, wodurch das Startverhalten der Brennkraftmaschine nochmals verbessert ist.
Das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Abschnittes der Startphase erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle, von der Drehzahl der Nockenwelle und/oder von der Drehzahl eines elektrischen Motors zum Antrieb des Nockenwellenverstellers. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere für Brennkraftmaschinen geeignet, bei denen ein mit einem elektrischen Motor angetriebener Nockenwellenversteller verwendet wird. Es können drei Drehzahlen gemessen werden, die Aufschluss über die aktuelle Lage des Nockenwellenverstellers geben. Die Drehzahl der Nockenwelle und die Drehzahl der Kurbelwelle können zu einem bestimmten Zeitpunkt ins Verhältnis gesetzt werden, woraus der Phasenwinkel zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ableitbar ist. Kann die Drehzahl der Nockenwelle während der Startphase oder während der Stoppphase nicht gemessen werden, so kann die Drehzahl des elektrischen Motors gemessen werden, woraus sich über eine Drei-Wellen-Getriebebeziehung die Phase zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle bestimmen lässt. Diese Phase kann überprüft werden, sobald ein neuer Messwert über die Drehzahl der Nockenwelle vorliegt. Während der Startphase liegen Messwerte für die Drehzahl der Kurbelwelle, der Nockenwelle und des elektrischen Motors zum Antrieb des Nockenwellenverstellers oft erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl vor. In diesen Fällen ist unterhalb dieser Mindestdrehzahl die Phase zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle nicht immer bestimmbar. Um den Nockenwellenversteller in die Startsolllage zu bringen oder in der Startsolllage zu halten, kann der elektrische Motor in Richtung der Startsolllage, welche beispielsweise durch einen Anschlag definiert ist, bewegt werden, was beispielsweise durch eine Vorgabe der Spannung oder des Stroms zum Betrieb des elektrischen Motors oder anhand einer Pulsweitenmodulation erfolgen kann. Sobald Messwerte für die Drehzahlen der Kurbelwelle und des elektrischen Motors vorliegen, kann die Startsolllage exakt eingehalten werden. Im zweiten Abschnitt der Startphase kann die Lage des Nockenwellenverstellers kontinuierlich an die Drehzahlen oder weitere Betriebskenngrößen ange passt werden. Kann die Startsolllage nicht exakt genug eingestellt werden, so kann der Nockenwellenversteller nochmals zu einem Anschlag verfahren werden, um eine exakte Ausgangsposition zu erhalten. Währenddessen erfolgt noch keine Einspritzung von Brennstoff, sodass die Arbeit zur Kompression des Zylindervolumens niedrig bleibt.
Um den Brennstoff während der Startphase richtig messen zu können, muss bekannt sein, welcher Zylinder sich in einer Ladungswechselphase befindet und in welcher Stellung sich Kolben und Einlassventil zueinander befinden. Ist dies nicht bekannt, so muss in einen willkürlich ausgesuchten Zylinder eingespritzt werden. Dies führt insbesondere zu einer hohen Emission von Kohlenwasserstoffen während der Startphase. Sobald während der Startphase die Drehzahlen der Nockenwelle und der Kurbelwelle gemessen werden können und diese miteinander synchronisiert werden können, kann eine bestimmungsgemäße Steuerung der Einlassventile und der Auslassventile hinsichtlich der Stellung der Kolben erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt das Stellen des Nockenwellenverstellers bereits während des zweiten Abschnittes der Startphase in der Weise, wie es während eines dauerhaften Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt. Dies führt zu einer kurzen Startphase und zu einem geringen NVH-Niveau während der Startphase.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Startsolllage in Abhängigkeit von aktuellen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine definiert. Diese Betriebskenngrößen können beispielsweise gemessene Werte für Temperaturen eines Kühlwassers, eines Motoröls und/oder einer Ansaugluft sowie für einen atmosphärischen Luftdruck und/oder einer Luftfeuchte und/oder für ein Verbrennungsluftverhältnis λ der Brennkraftmaschine sein. Hierdurch kann der erneute Start an den aktuellen Zustand der Brennkraftmaschine angepasst werden, wodurch die zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit und/oder die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine während der Startphase nochmals gesenkt werden.
Vorzugsweise stellt die Startsolllage ein Optimum zwischen der Senkung der zum Starten der Brennkraftmaschine notwendigen mechanischen Arbeit und der Senkung der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine während der Startphase dar. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik ist es gewünscht, beide Größen zu minimieren; um einerseits Kraftstoff einsparen zu können und um andererseits die Emission von Schadstoffen zu senken. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt das Erreichen beider Ziele, wofür jedoch ein Optimum zu wählen ist, welches durch die Startsolllage definiert ist.
Das Stellen des Nockenwellenverstellers erfolgt während des zweiten Abschnittes der Startphase bevorzugt derart, dass der zweite Abschnitt der Startphase verkürzt ist und/oder dass während der Startphase entstehende Geräusche der Brennkraftmaschine vermindert sind. Hierdurch wird das Verfahren den Anforderungen insbesondere bei der Realisierung von Start-Stopp-Konzepten gerecht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Brennkraftmaschinen geeignet, die durch einen V-Motor gebildet sind. Bei V-Motoren handelt es sich um Hubkolbenmotoren, bei denen Zylinder in zwei Reihen, als so genannte Zylinderbänke angeordnet sind. Die eine oder die mehreren Nockenwellen steuern die Einlassventile und/oder die Auslassventile von Zylindern beider Zylinderbänke. Die eine oder mehrere der Nockenwellen sind durch jeweils einen der Nockenwellenversteller verstellbar. Der eine oder die mehreren Nockenwellenversteller sind gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu stellen. Hierbei kommt das Verfahren bevorzugt für solche V-Motoren zum Einsatz, bei denen die Einlassventile durch eine erste der Nockenwellen gesteuert werden und die Auslassventile durch eine zweite der Nockenwellen gesteuert werden. Die erste Nockenwelle ist durch einen ersten der Nockenwellenversteller verstellbar. Die zweite Nockenwelle ist durch einen zweiten der Nockenwellenversteller verstellbar. Das erfindungsgemäße Stellen der ersten Nockenwelle durch den ersten Nockenwellenversteller und das erfindungsgemäße Stellen der zweiten Nockenwelle durch den zweiten Nockenwellenversteller erfolgen bevorzugt syn chron, wobei eine Abweichung zwischen der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle eine Fensterbreite von 0 bis 3 Grad Nockenwinkel, d. h. bezogen auf die Drehwinkellage der ersten und der zweiten Nockenwelle aufweist. Diese Fensterbreite beträgt besonders bevorzugt von 0 bis 1,5 Grad und ganz besonders bevorzugt von 0 bis 0,5 Grad.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist zunächst eine Nockenwelle zur Steuerung von Einlassventilen und Auslassventilen der Brennkraftmaschine auf. Hierbei kann es sich um eine Nockenwelle in einfacherer Ausführung handeln, welche sämtliche Einlassventile und Auslassventile steuert; oder es kann sich um eine Nockenwelle in mehrfacher Ausfertigung handeln, wobei jede einzelne Nockenwelle nur einen Teil der Einlassventile oder Auslassventile steuert. Grundsätzlich steuert die Nockenwelle das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile. Die Nockenwelle ist durch einen Nockenwellenversteller verstellbar, sodass die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile in Bezug auf die Stellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine veränderlich sind. Der Nockenwellenversteller wird durch eine Nockenwellensteuerung gesteuert. In einer Stoppphase der Brennkraftmaschine ermöglicht die Nockenwellensteuerung ein Stellen des Nockenwellenverstellers in eine Stoppsolllage, um die Nockenwelle in eine definierte Position zu bringen, sodass diese dann auch während einer nachfolgenden Startphase der Brennkraftmaschine bekannt ist, selbst wenn die Position des Nockenwellenverstellers in der Startphase noch nicht mithilfe von Sensoren bestimmt werden kann. Während eines ersten Abschnittes der Startphase ermöglicht die Nockenwellensteuerung das Stellen des Nockenwellenverstellers aus der Stoppsolllage in eine Startsolllage. Durch die Startsolllage des Nockenwellenverstellers sind Steuerzeitpunkte der Einlassventile und der Auslassventile definiert, bei denen eine zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit gesenkt ist und/oder eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gesenkt ist. Dieser Schritt ermöglicht einen Startvorgang der Brennkraftmaschine, der hinsichtlich der zum Starten notwendigen mechanischen Arbeit und/oder der auftretenden Schadstoffemission optimiert ist. Während eines zweiten Abschnittes der Startphase ermöglicht die Nockenwel lensteuerung ein Stellen des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von gemessenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch das fortgesetzte Starten der Brennkraftmaschine hinsichtlich des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine optimal erfolgt. Hierfür können gemessene Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine genutzt werden, die während des ersten Abschnittes der Startphase noch nicht unbedingt vorliegen.
Die erfinderische Brennkraftmaschine zeigt alle Vorteile und Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine während einer Stoppphase und während einer erneuten Startphase der Brennkraftmaschine. Alle beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstellung einer Nockenwelle können auch bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10351891 A1 [0004]
- EP 1586765 A1 [0005]
- DE 19743492 A1 [0006]
- DE 102006012384 A1 [0007]
- DE 102004046182 A1 [0008, 0009]

Claims

Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine während einer Stoppphase und während einer nachfolgenden erneuten Startphase der Brennkraftmaschine, wobei Einlassventile und/oder Auslassventile der Brennkraftmaschine durch die mit einem Nockenwellenversteller verstellbare Nockenwelle gesteuert werden; und wobei durch eine Startsolllage des Nockenwellenverstellers Steuerzeitpunkte der Einlassventile und/oder der Auslassventile definiert sind, bei denen eine zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit gesenkt ist und/oder eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gesenkt ist, die folgenden Schritte umfassend: – Stellen des Nockenwellenverstellers in eine Stoppsolllage während der Stoppphase; – Stellen des Nockenwellenverstellers aus der Stoppsolllage in die Startsolllage während eines ersten Abschnittes der Startphase; und – Stellen des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von gemessenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine während eines zweiten Abschnittes der Startphase.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsolllage und die Stoppsolllage identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppsolllage durch einen Anschlag des Nockenwellenverstellers definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stoppsolllage ein verspäteter Zeitpunkt zum Schließen der Auslassventile und ein verfrühter Zeitpunkt zum Öffnen der Einlassventile definiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Startsolllage ein verspäteter Zeitpunkt zum Schließen der Einlassventile definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen des Nockenwellenverstellers in die Stoppsolllage während der Stoppphase dann beginnt, wenn ein über einen Datenbus zur Verfügung gestelltes elektronisches Signal zum Stoppen vorhanden ist und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine einen definierten Wert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemessener Wert für die Lage des Nockenwellenverstellers zum Ende der Stoppphase in einem Speicher gespeichert wird, wenn nicht garantiert werden kann, dass der Nockenwellenversteller vollständig in die Stoppsolllage gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Abschnittes der Startphase kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Ab schnittes der Startphase in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Kurbelwelle, von der Drehzahl der Nockenwelle und/oder von der Drehzahl eines elektrischen Motors zum Antrieb des Nockenwellenverstellers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Abschnittes der Startphase in gleicher Weise wie während eines dauerhaften Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsolllage in Abhängigkeit von aktuellen Betriebkenngrößen der Brennkraftmaschine definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsolllage in Abhängigkeit von gemessenen Werten für Temperaturen eines Kühlwassers, eines Motoröls und/oder einer Ansaugluft sowie für einen Luftdruck und/oder ein Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsolllage ein Optimum zwischen der Senkung der zum Starten der Brennkraftmaschine notwendigen mechanischen Arbeit und der Senkung der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen des Nockenwellenverstellers während des zweiten Abschnittes der Startphase derart erfolgt, dass der zweite Abschnitt der Startphase verkürzt ist und/oder dass während der Startphase entstehende Geräusche der Brennkraftmaschine vermindert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung der Nockenwelle eines V-Motors mit zwei Zylinderbänken dient, wobei die Einlassventile und/oder die Auslassventile von Zylindern beider Zylinderbänke des V-Motors durch eine oder mehrere der Nockenwellen gesteuert werden, wobei die eine oder mehrere der Nockenwellen durch jeweils einen der Nockenwellenversteller verstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile durch eine erste der Nockenwellen gesteuert werden, und dass die Auslassventile durch eine zweite der Nockenwellen gesteuert werden; wobei die erste Nockenwelle durch einen ersten der Nockenwellenversteller verstellbar ist, und wobei die zweite Nockenwelle durch einen zweiten der Nockenwellenversteller verstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellen der ersten Nockenwelle durch den ersten Nockenwellenversteller und das Stellen der zweiten Nockenwelle durch den zweiten Nockenwellenversteller synchron erfolgen, wobei eine Abweichung zwischen der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle eine Fensterbreite von 0 bis 3 Grad bezogen auf die Drehwinkellage der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung zwischen der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle eine Fensterbreite von 0 bis 1,5 Grad bezogen auf die Drehwinkellage der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung zwischen der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle eine Fensterbreite von 0 bis 0,5 Grad bezogen auf die Drehwinkellage der ersten Nockenwelle und der zweiten Nockenwelle aufweist.
Brennkraftmaschine mit einer durch einen Nockenwellenversteller verstellbaren Nockenwelle zur Steuerung von Einlassventilen und Auslassventilen der Brennkraftmaschine, und mit einer Nockenwellensteuerung zur Steuerung des Nockenwellenverstellers, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellensteuerung: – in einer Stoppphase der Brennkraftmaschine ein Steilen des Nockenwellenverstellers in eine Stoppsolllage ermöglicht; – in einem ersten Abschnitt einer nachfolgenden erneuten Startphase der Brennkraftmaschine ein Stellen des Nockenwellenverstellers aus der Stoppsolllage in eine Startsolllage ermöglicht, wobei durch die Startsolllage Steuerzeitpunkte der Einlassventile und der Auslassventile definiert sind, bei denen eine zum Starten der Brennkraftmaschine notwendige mechanische Arbeit gesenkt ist und/oder eine Schadstoffemission der Brennkraftmaschine gesenkt ist; und – in einem zweiten Abschnitt der erneuten Startphase ein Stellen des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit von gemessenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen V-Motor handelt.