DE102009036169A1

DE102009036169A1 - Strategie zur Nockenwellenkoordination eines Verbrennungsmotors zur maximalen Verringerung von Pumpverlusten

Info

Publication number: DE102009036169A1
Application number: DE102009036169A
Authority: DE
Inventors: Adam S. Commerce Kwiatkowski; Prabjot Ann Abor Nanua
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: CN101644196A; US20100036582A1; US8042513B2; DE102009036169B4; CN101644196B

Abstract

Ein Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle wird offenbart, welches umfasst, dass eine Fahrereingabe gemessen wird; dass ein von einem Fahrer angefordertes Drehmoment auf der Grundlage einer gemessenen Fahrereingabe berechnet wird; und dass die Nockenwelle auf der Grundlage des von dem Fahrer angeforderten Drehmoments koordiniert wird. Bei einem Beispiel ist die Fahrereingabe eine Gaspedalposition, welche mit einem Prozentsatz des von dem Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht. Die Nockenposition wird auf der Grundlage des von dem Fahrer angeforderten Drehmoments gewählt und die Nockenposition wird eingestellt, um auf der Grundlage des Prozentsatzes des vom Fahrer angeforderten Drehmoments entweder eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder eine Nockenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Strategie zur Nockenwellenkoordination eines Verbrennungsmotors, die für eine erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit durch Verringern von Pumpverlusten sorgt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit enthalten Verbrennungsmotoren Strategien zur Nockenwellenkoordination, welche ein Nockenwellentiming hauptsächlich auf der Grundlage einer Motordrehzahl (RPM) und einer Motorlast regeln, wobei die Motorlast auf der Grundlage einer Luftströmung bestimmt wird, z. B. einer pro Zylinder eingeschlossenen Luft (APC), einer relativen Last (auf einen Hubraum skalierte APC) oder eines anderen Maßes der volumetrischen Effizienz.
Eine bekannte Technik zum Steuern der Motorlast ist das späte Schließen des Einlassventils (LIVC). Bei LIVC wird eine Einlassdrosselung durch eine Einlassrückströmung ersetzt, d. h. Gase werden an den Ansaugkrümmer zurückgeleitet, bis die benötigte Ladung im Innern des Zylinders beschafft ist, was Pumpverluste in dem System effektiv verringert.
Da bekannte Nockenwellenkoordinationsstrategien jedoch auf APC basierende Tabellen verwenden und da ferner das LIVC in der hohen bis mittleren Lastregion des Motorbetriebsbereichs eine unverhältnismäßig große Veränderung bei einem Krümmerabsolutdruck (MAP) in Bezug auf eine relativ kleine Veränderung bei der APC verursacht, begrenzen diese bekannten Nockenwellenkoordinationsstrategien die Anwendung des LIVC auf die Niederlastregion des Motorbetriebsbereichs.
Obwohl diese bekannten Nockenwellenkoordinationsstrategien zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit nützlich sind, ist eine derartige Verbesserung daher auf die Niederlastregion des Motorbetriebsbereichs begrenzt und führt zu einer suboptimalen Kraftstoffeffizienz in dem hohen bis mittleren Lastbetriebsbereich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein Verfahren zur Nockenwellenkoordination offenbart, welches umfasst, dass eine Fahrereingabe gemessen wird; ein von einem Fahrer angefordertes Drehmoment auf der Grundlage der gemessenen Fahrereingabe berechnet wird; und eine Nockenwelle auf der Grundlage des von dem Fahrer angeforderten Drehmoments koordiniert wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Fahrereingabe eine Gaspedalposition, welche mit einem Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht. Auf der Grundlage des vom Fahrer angeforderten Drehmoments wird eine Nockenposition gewählt und die Nockenposition wird verstellt, um auf der Grundlage des Prozentsatzes des vom Fahrer angeforderten Drehmoments entweder eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder eine Nockenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitzustellen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems, das eine Nockenwellenkoordinationsstrategie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist eine detaillierte Darstellung des Verbrennungsmotors von 1;
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Nockenwellenkoordinationsstrategie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 ist eine beispielhafte graphische Darstellung einer Fahrereingabe zur Verwendung bei einer Nockenwellenkoordinationsstrategie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, ist 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Das Verbrennungsmotorsystem 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12 und ein Motorsteuerungsmodul 14, das mit dem Verbrennungsmotor 12 in Verbindung steht. Das Motorsteuerungsmodul 14 umfasst einen Speicher 16, der zum Speichern einer Nockenwellenkoordinationsstrategie dient.
Wie nachstehend genauer erörtert wird, dient die Nockenwellenkoordinationsstrategie zur selektiven Steuerung der Rotation einer Nockenwelle, welche wiederum das Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen regelt.
Das Motorsteuerungsmodul 14 dient zum Empfangen einer Fahrereingabe 18 und zum selektiven Drehen der Nockenwelle und/oder zum Einstellen der Drosselklappe gemäß der Nockenwellenkoordinationsstrategie und auf der Grundlage der Fahrereingabe 18.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst der Verbrennungsmotor 12 mindestens eine Nockenwelle 20 die in einer drehbaren Verbindung mit dem Verbrennungsmotor 12 angeordnet ist. Ein Nockenphasenstellglied oder ein Phasensteller 21 steht in funktionaler Kommunikation mit dem Motorsteuerungsmodul 14 und der Phasensteller 21 koordiniert auf der Grundlage der Nockenwellenkoordinationsstrategie entsprechend jede Nockenwelle 20.
Jede Nockenwelle 20 umfasst mehrere Nockenbuckel 20A. Wenn sich die Nockenwelle 20 dreht, dienen die mehreren Nockenbuckel 20A zum Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen 24 in zeitlicher Abstimmung mit der Bewegung der Kolben 26, welche sich in Zylinderbohrungen 28 auf der Grundlage der Rotation einer Kurbelwelle 30 bewegen.
Genau dann, wenn einer der Kolben 26 anfangt, sich bei einem Ansaughub von einem oberen Totpunkt (TDC) nach unten zu bewegen, wird sich das diesem Kolben 26 zugeordnete Einlassventil öffnen, was ermöglicht, dass sich ein Luft/Kraftstoffgemisch in die Zylinderbohrung 28, die diesem Kolben zugeordnet ist, hinein beschleunigt. Das Einlassventil schließt dann genau dann, wenn der Kolben 26 den Boden der Zylinderbohrung 28 erreicht, d. h. in der Nähe des tiefsten Punkts des Ansaughubs.
Der Kolben 26 bewegt sich dann in einem Verdichtungshub nach oben, wobei er das Luft/Kraftstoffgemisch komprimiert, welches genau dann gezündet wird, wenn der Kolben 26 den höchsten Punkt der Zylinderbohrung 28 erreicht, d. h. nahe bei dem Ende des Verdichtungshubs. Das Kraftstoff/Luftgemisch wird beispielsweise von einer (nicht gezeigten) Zündkerze in einem Benzinmotor oder von der Wärme und dem Druck, die mit einer Verbrennung in einem Dieselmotor verbunden sind, gezündet, wodurch Druck in der Zylinderbohrung 28 erzeugt wird. Der Druck drückt dann den Kolben 26 in einem Arbeitshub zurück nach unten.
Anschließend öffnet sich das diesem Kolben 26 zugeordnete Auslassventil genau dann, wenn der Kolben 26 am Ende des Arbeitshubs den tiefsten Punkt erreicht, d. h. einen unteren Totpunkt (BDC) der Zylinderbohrung 28. Der Kolben 26 bewegt sich dann nach oben, um die Verbrennungsprodukte oder das Abgas aus der Zylinderbohrung 28 heraus durch das Auslassventil zu drücken, das diesem Kolben 26 zugeordnet ist, und der Zyklus wiederholt sich.
Das Timing dieser Ventilereignisse wird von einem Nockenprofil gesteuert, d. h. der Geometrie der Nockenbuckel 20A und der Nockenwellenkoordinationsstrategie, welche dazu dient, die Nockenwelle 20 selektiv so zu drehen, dass das Öffnen und/oder Schließen der Einlass- und/oder der Auslassventile 24 verzögert bzw. nach spät verstellt wird.
Die Nockenwellenkoordinationsstrategie ist in dem Speicher 16 des Motorsteuerungsmoduls 14 gespeichert. Das Motorsteuerungsmodul 14 empfängt die Fahrereingabe 18; wählt eine Nockenposition auf der Grundlage des vom Fahrer angeforderten Drehmoments und koordiniert die Nockenwelle 20 auf der Grundlage der gewählten Nockenposition.
Wie in 3 dargestellt ist, koordiniert das Motorsteuerungsmodul 14 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Nockenwelle 20 auf der Grundlage einer ersten oder Standard-Nockenwellenkoordinationsstrategie 42, welche bei dem dargestellten Beispiel ein Modus mit minimalen Pumpverlusten ist, wenn die Fahrereingabe 18 eine konstante oder abnehmende Drehmomentanforderung 40 anzeigt.
In dem Modus mit minimalen Pumpverlusten umfasst das elektronische Steuerungsmodul 14 ein spätes Schließen des Einlassventils (LIVC), ein Verstellen des Schließereignisses des Einlassventils nach spät, ein Verringern des Einschließens von Luft im Zylinder, wodurch das effektive Kompressionsverhältnis verringert wird und eine Zündfunkenverstellung nach Früh näher bei einer minimalen Frühverstellung für ein bestes Drehmoment (MBT) ermöglicht wird. In dem Modus mit minimalen Pumpverlusten werden folglich Pumpverluste in dem Verbrennungsmotor 12 minimiert, was zu einer verbesserten Kraftstoffeffizienz führt.
Wenn die Fahrereingabe 18 eine zunehmende Drehmomentanforderung 44, d. h. einen höheren Prozentsatz an vom Fahrer angeforderten Drehmoment anzeigt, und ein Krümmerabsolutdruck (MAP) 46 kleiner als ein Umgebungsdruck P abzüglich eines vorbestimmten Werts X ist, wie in Kasten 48 dargestellt ist, dient das Motorsteuerungsmodul 14 zur Beibehaltung der Standard-Nockenwellenkoordinationsstrategie 42, während eine Drosselklappe 50 zur Leistungszunahme geöffnet wird.
Wenn die Fahrereingabe 18 jedoch eine zunehmende Drehmomentanforderung ist und der Krümmerabsolutdruck (MAP) 46 größer als der Umgebungsdruck P abzüglich des vorbestimmten Werts X ist, wie in Kasten 52 dargestellt ist, dann dient das Motorsteuerungsmodul 14 zur Koordination der Nockenwelle 20 auf der Grundlage einer zweiten Nockenkoordinationsstrategie 54, welche bei dem dargestellten Beispiel ein Drehmomentmodus ist.
In dem Drehmomentmodus befiehlt das elektronische Steuerungsmodul 14 eine Einlassnockenverstellung nach Früh, bei welcher der Schließzeitpunkt des Einlassventils vor bzw. nach früh verstellt wird, um die Massenträgheit der Ansaugluft auszunutzen, d. h. die Geschwindigkeit, mit welcher sie in die Brennkammer eintritt, was die Geschwindigkeit der eintretenden Luft erhöht. Diese erhöhte Geschwindigkeit erzeugt einen „Superladungs”-Effekt bei der eintretenden Luft. In dem Drehmomentmodus wird folglich die Drehmomentausgabe des Verbrennungsmotors 12 maximiert, was zu einer erhöhten Fahrzeugleistung und einem verbesserten Ansprechverhalten führt.
Bei der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Fahrereingabe 18 eine Gaspedalposition, welche mit einem Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht. Wenn ein Fahrer auf ein Gaspedal tritt, ändert sich die Gaspedalposition von einer Nullposition zu einer Maximalposition (d. h. einen Gesamtweg des Gaspedals). Bei der dargestellten beispielhaften Ausführungsform basiert auch der vorbe stimmte Wert X auf einer Motordrehzahl und/oder einem barometrischen Druck, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das Motorsteuerungsmodul 14 dient zur Ermittlung eines Prozentsatzes des Gesamtwegs des Gaspedals auf der Grundlage der Gaspedalposition und zum Setzen des Prozentsatzes des Gesamtwegs des Gaspedals in Beziehung mit einem Prozentsatz des maximalen Drehmoments, d. h. den Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments, auf der Grundlage von Motordrehzahlen, wie in 4 veranschaulicht ist.
Wenn der Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments auf der Grundlage der Gaspedalposition berechnet wird und der Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments die Eingabe für die Nockenwellenkoordinationsstrategie ist, kann das Einlassventil direkt bis zu dem Punkt eines Motorunterdrucks von Null vollständig nach spät verstellt werden, wodurch Pumparbeitsverluste, die dem Krümmerunterdruck zugeordnet sind, wesentlich verringert werden.
Da stationäre Gewinne von 1% bis 4% beim bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC) zu einer hohen bis mittleren Lastbetriebsregion führen und die hohe bis mittlere Lastbetriebsregion diejenige Drehzahl-Lastregion ist, die häufiger frequentiert wird, wenn die Fahrzeugmasse zunimmt oder wenn der Motorhubraum abnimmt, und sie auch von aggressiven „Kraftstoffwirtschaftlichkeits”-Getriebekalibrierungen betroffen ist, welche früher als herkömmliche Strategien hochschalten, ermöglicht die Koordinationsstrategie der Nockenwelle und der Drosselklappe eine effektive Verwaltung des Kompressionsverhältnisses bei durch Klopfen begrenzten Motorbetriebsregelwerken. Das heißt, dass der Verbrennungsmotor bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen relativen Motorlasten oder hohen Umgebungstemperaturen bei einem empfohlenen Kraft stoff durch Klopfen eingeschränkt ist. Folglich kann eine optimale Zündfunkenverstellung nach Früh für das beste Drehmoment nicht erreicht werden, ohne dass ein hörbares Motorklopfen auftritt.
Wie vorstehend erörtert, kann durch Verstellen des Einlassventilschließereignisses nach spät ein Einschließen von Luft im Zylinder verringert werden, wodurch das effektive Kompressionsverhältnis verringert wird und eine Annäherung an MBT ermöglicht wird.
Die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile einer effektiven Kompressionsverhältnisverwaltung sind zweifach: Erstens ist der Verbrennungsmotor weniger durch Klopfen eingeschränkt, was eine Verwendung höherer geometrischer Kompressionsverhältnisse ermöglicht, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei leichter Last zu verstärken; und zweitens senkt das Verstellen des Zündfunkentimings nach früh Katalysatortemperaturen, was eine Verzögerung eines Schutzes gegen Kraftstoffanreicherung ermöglicht.
Folglich stellt das Motorsteuerungsmodul 14 gemäß einer beispielhaften Nockenwellenkoordinationsstrategie der vorliegenden Erfindung die Nockenposition so ein, dass eine Nockenwellenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitgestellt wird, wie von der Nockenwellenkoordinationsstrategie vorgegeben ist, wenn der Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments einen Schwellenwert überschreitet. Wenn im Gegensatz dazu der Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments unter dem Schwellenwert liegt, stellt das Motorsteuerungsmodul 14 die Nockenposition so ein, dass eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitgestellt wird, wie ebenfalls von der Nockenwellenkoordinationsstrategie vorgegeben ist.
Da die beispielhafte Nockenwellenstrategie der vorliegenden Erfindung die Nockenposition ferner auf der Grundlage einer Fahrereingabe im Gegensatz zu gegenwärtig bekannten statischen APC-Tabellen dynamisch einstellt, kann das LIVC über einen größeren Prozentsatz des Motorbetriebsbereichs integriert werden, was eine verbesserte Kraftstoffeffizienz in dem hohen bis mittleren Lastbereich bereitstellt.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen. Obwohl der Verbrennungsmotor 12 beispielsweise als ein Stößelstangenmotor dargestellt ist, der in 2 eine einzige Nockenwelle 20 umfasst, ist festzustellen, dass der Verbrennungsmotor 12 nicht auf einen Stößelstangenmotor begrenzt ist, sondern stattdessen auch ein Motor mit einer einzelnen oben liegenden Nockenwelle (SOHC) oder ein Motor mit doppelter oben liegender Nockenwelle (DOHC) oder dergleichen sein kann, wie bekannt ist.
Bei der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Nockenwellenkoordinationsstrategie ferner nur auf die Einlassnockenwelle angewandt. Die dargestellte Nockenwellenkoordinationsstrategie ist jedoch nicht auf das Koordinieren der Einlassnockenwelle allein begrenzt, da die dargestellte Strategie auf die Auslassnockenwelle dort angewendet werden kann, wo eine von der Einlassnockenwelle unabhängige Steuerung der Auslassnockenwelle möglich ist.

Claims

Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle, das die Schritte umfasst, dass: ein vom Fahrer angefordertes Drehmoment berechnet wird; und die Nockenwelle auf der Grundlage des von dem Fahrer angeforderten Drehmoments koordiniert wird.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass eine Fahrereingabe gemessen wird, wobei das vom Fahrer angeforderte Drehmoment auf der Grundlage der gemessenen Fahrereingabe berechnet wird.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 2, wobei die Fahrereingabe eine Gaspedalposition ist.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 3, wobei die Gaspedalposition mit einem Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 2, wobei die Nockenposition eingestellt wird, um auf der Grundlage des Prozentsatzes des vom Fahrer angeforderten Drehmoments entweder eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder eine Nockenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitzustellen.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 5, das ferner den Schritt umfasst, dass eine Nockenposition auf der Grundlage des vom Fahrer angeforderten Drehmoments gewählt wird, wobei der Schritt des Koordinierens der Nockenwelle umfasst, dass die Nockenposition auf die gewählte Nockenposition eingestellt wird.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 6, wobei die Nockenposition während eines ersten prozentualen Bereichs des vom Fahrer angeforderten Drehmoments konstant ist.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 6, wobei die Nockenposition während eines zweiten prozentualen Bereichs des vom Fahrer angeforderten Drehmoments nach früh verstellt wird.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle, das die Schritte umfasst, dass: ein von einem Fahrer angefordertes Drehmoment auf der Grundlage einer Fahrereingabe berechnet wird; eine Nockenposition auf der Grundlage des vom Fahrer angeforderten Drehmoments gewählt wird; und die Nockenwelle auf der Grundlage der gewählten Nockenposition koordiniert wird.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 9, wobei die Fahrereingabe eine Gaspedalposition ist.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 10, wobei die Gaspedalposition mit einem Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht.
Verfahren zum Koordinieren einer Nockenwelle nach Anspruch 9, wobei die Nockenposition eingestellt wird, um auf der Grundlage des Prozentsatzes des vom Fahrer angeforderten Drehmoments entweder eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder eine Nockenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitzustellen.
Fahrzeugantriebsstrangsystem, umfassend: einen Verbrennungsmotor, der mindestens eine Nockenwelle umfasst; und ein Motorsteuerungsmodul in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor, wobei das Motorsteuerungsmodul zum Koordinieren der Nockenwelle auf der Grundlage eines von einem Fahrer angeforderten Drehmoments dient.
Fahrzeugantriebsstrangsystem nach Anspruch 13, wobei das Motorsteuerungsmodul zum Empfangen einer Fahrereingabe dient.
Fahrzeugantriebsstrangsystem nach Anspruch 14, wobei das Motorsteuerungsmodul zum Berechnen des vom Fahrer angeforderten Drehmoments auf der Grundlage der Fahrereingabe dient.
Fahrzeugantriebsstrangsystem nach Anspruch 15, wobei die Fahrereingabe eine Gaspedalposition ist.
Fahrzeugantriebsstrangsystem nach Anspruch 16, wobei die Gaspedalposition mit einem Prozentsatz des vom Fahrer angeforderten Drehmoments in Beziehung steht.
Fahrzeugantriebsstrangsystem nach Anspruch 13, wobei die Nockenposition so eingestellt ist, dass sie auf der Grundlage des Prozentsatzes des vom Fahrer angeforderten Drehmoments entweder eine Nockenposition mit bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder eine Nockenposition mit bester Drehmomentausgabe bereitstellt.