DE102004061143A1

DE102004061143A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004061143A1
Application number: DE102004061143A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schilling; Matthias Schultalbers
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: DE102004061143B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei diese für die flexible Steuerung des Ladungswechsels wenigstens zwei unterschiedliche, umschaltbare Ventilerhebungskurven und eine Einrichtung zur Umschaltung der wirksamen Ventilerhebungskurven aufweist. Das Verfahren betrifft die Steuerung der Brennkraftmaschine bei Umschaltung der wirksamen Ventilerhebungskurven, wobei eine minimale Umschaltdauer erreicht wird, ohne dass die Umschaltung für den Fahrer als Drehmomentschwankung im Antriebsstrang spürbar wird. Ausgehend von einer Erkennung der Umschaltanforderungen aus den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine durch ein Steuergerät werden zeitlich koordiniert die Drosselklappe, die Stellelemente für die Umschaltung und die in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst. Es werden dabei die Totzeit bis zur Füllungsänderung (TZF) im Zylinder, ausgehend von einer Änderung der Drosselklappenstellung, und die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilerhebungskurve vom Auslösen der Umschaltung bis zum Abschluss der Umschaltung ermittelt. Der Zeitpunkt der Ansteuerung der mechanischen Stellglieder (ZU) zur Ventilhubumschaltung und die Ansteuerung der Drosselklappe werden entsprechend der Totzeit der Füllungsänderung (TZF) und der Umschaltdauer der Stellglieder (UDS) zueinander synchronisiert. Der Ansteuerzeitpunkt der Stellglieder wird, ausgehend von einem zukünftigen Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 15.
Moderne Verbrennungsmotoren sind im Laufe der Entwicklung immer mehr in Richtung maximaler Leistung bei sinkenden Verbrauchs- und Emissionswerten optimiert worden. Für die dafür notwendige Steuerung optimaler Verbrennungsbedingungen ist im Stand der Technik eine Vielzahl von Maßnahmen bekannt, die vor allem eine optimierte Gemischaufbereitung sowie eine optimierte und flexibel an die Motorbetriebsbedingungen anpassbare Steuerung des Gaswechsels für die Brennkraftmaschine bereitstellen. Die Steuerung von Motoren hin zu optimalen Verbrauchs- und Emissionswerten geschieht dabei ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Fahreigenschaften, die ein Motor im Gesamtfahrzeug aufweist. Eine homogene Kraftentwicklung ist dabei aus Verschleißgründen der nachfolgenden Antriebselemente sowie aus Sicht des Fahreindruckes eine wichtige Komponente.

Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur flexiblen Anpassung der Füllung eines Brennraumes mit Luft und Kraftstoff vorbekannt. So kann durch eine ausgefeilte Einspritzstrategie die Einbringung des Gemischs in den Brennraum sowohl bei Motoren mit Direkteinspritzung als auch bei Saugrohreinspritzung flexibel über die Motorsteuerung angepasst werden. Weiterhin ist es vorbekannt, durch die gezielte Steuerung der Hubventile die Füllung des Motors mit Frischluft oder mit einem Luft-/Brennstoffgemisch zu beeinflussen. Es sind dabei im Stand der Technik einer Reihe von Vorrichtungen bekannt, bei denen der Ventilhub gezielt beeinflusst werden kann. So finden sich vollvariable Ventiltriebe, die mechanisch, piezoelektrisch oder elektromagnetisch betätigt werden, ebenso wie schaltbar zwischen verschiedenen Öffnungskurven wählbare Steuerkonzepte. Ventilsteuervorrichtungen, bei denen schaltbar zwischen verschiedenen Ventilerhebungskurven gewählt werden kann, erschließen dabei einen weiten Bereich der für die Verbrauchs- und Emissionsoptimierung notwendigen Anpassung der Füllung. Schaltbare Ventiltriebe finden sich beispielsweise in Ausgestaltungen als schaltbare Tassenstößel in der DE 42 13 856 oder in einer Ausgestaltung mit einem auf der Nockenwelle angeordneten Nockenpaket, bei welchem wahlweise die wirksame Ventilerhebungskurve geschaltet wird, in der DE 100 54 623 . Die schaltbaren Konzepte weisen einen einfachen mechanischen Aufbau und einen geringen Aufwand in der Applikation auf, jedoch treten systembedingt Nachteile durch die abrupte Umschaltung der Ventilerhebungskurven auf. Bedingt durch die sich mit der Umschaltung plötzlich ändernde Füllung des Motors und die Druckveränderung in den Ansaugkomponenten treten Veränderungen im Verbrennungsverlauf auf, die eine Änderung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmomentes hervorrufen, Die Drehmomentänderung kann dabei als „Ruckeln" im Antriebsstrang für den Fahrer spürbar werden und sich verschleißsteigernd auf den Antriebsstrang auswirken. Für die Verminderung der Auswirkungen des Umschalteffektes auf das Drehmoment sind dabei im Stand der Technik Ansätze vorbekannt.

So zeigt DE 41 35 965 C2 eine Brennkraftmaschine mit variabler Nockensteuerung, bei der zur Verminderung des Umschalteffektes von einer Nockenkontur auf die andere ein Drosselventil in der Ansaugleitung beim Umschaltvorgang gezielt mit einem Korrekturwert zur Verminderung des Drehmomentsprungs beaufschlagt wird. Das Drehmoment vor Umschaltung soll dabei gleich dem Drehmoment nach Umschaltung sein. Es wird im Moment der Umschaltung von kleinem auf großen Nockenhub das Drosselventil um einen Korrekturwert geschlossen und gleichzeitig erfolgt mit einem Zündwinkeleingriff ein Ausgleich der durch die Umschaltung auf größeren Nockenhub bewirkten Drehmomentsteigerung. Die Auswirkung der veränderten Luftfüllung auf das Drehmoment findet jedoch durch die Laufzeiten der Gasmassen nur verzögert statt, weshalb der Zündwinkel nachfolgend den Drehmomentsprung, der trotz Korrekturwert der Drosselklappe erzeugt werden würde, ausgleicht. Die bei der verzögerten Reaktion auftretende Totzeit ist dabei von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängig und variiert stark. Eine Kompensation des gesteigerten Drehmomentes abhängig von der Auswirkung des Drosselklappenkorrekturwertes ist damit nur teilweise möglich. In Umschaltrichtung von großem auf kleinen Nockenhub werden Drosselklappe und Zündwinkel vor dem Umschaltzeitpunkt angepasst. Die Korrektur der Winkelstellung der Drosselklappe und die Korrektur des Zündwinkeleingriffes erfolgen hierbei wiederum gleichzeitig, um dem durch die Öffnung der Drosselklappe hervorgerufenen drehmomentsteigernden Effekt mit der Zündwinkelverstellung entgegenzuwirken. Auch hier besteht wiederum das Problem der mit den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine schwankenden Reaktionszeiten der Drehmomentänderung nach der Korrektur des Drosselklappenwinkels. Die Kompensation des sich ändernden Drehmomentes durch die Einwirkung auf den Zündwinkel muss zeitlich versetzt erfolgen, wobei diese Zeit sich mit den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ändert. Des weiteren sind die Laufzeiten der mechanischen Umschaltung zu berücksichtigen. Ausgehend vom Anlegen des Stellimpulses vergeht eine Zeitdauer bis zur erfolgten mechanischen Umschaltung. Die Laufzeiten der für die Umschaltung notwendigen Stellglieder sind in dem dargestellten Verfahren nicht berücksichtigt.

Aus der DE 102 31 143 B4 ist ein Verfahren zur Steuerung des Ventilhubs bekannt, bei welchem für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine jeweils nur ein Teil der Zylinder auf einen neuen Nockenhub umgeschaltet wird, um den auftretenden Drehmomentsprung gering zu halten. Die trotzdem auftretenden Drehmomentsprünge werden mittels einer Ansteuerung der Drosselklappe und einer Zündwinkelkorrektur kompensiert. Für den Umschaltvorgang auf größeren Ventilhub wird mit der Umschaltung die Drosselklappe in Schließrichtung verstellt und gleichzeitig, da die Wirkung auf das Drehmoment sich nur langsam entfaltet, wird der Zündwinkel mit Umschaltung der Ventilhubkurven in Richtung „spät" verstellt. Nach dem ersten Umschaltvorgang wird der Nockenhub für die zweite Zylindergruppe verstellt. Zur Umschaltung von großem auf kleineren Ventilhub wird vor dem Schaltvorgang das Drosselventil in Öffnungsrichtung verstellt, wobei gleichzeitig der Zündzeitpunkt in Richtung „spät" verstellt wird, um die durch die Öffnung des Drosselventils verzögert hervorgerufene Drehmomentsteigerung zu kompensieren. Hier besteht ebenfalls das Problem der Koordination des Zündwinkeleingriffs zum Stelleingriff auf das Drosselventil. Weiterhin sind für die Umschaltung Laufzeiten zu beachten, welche aus dem verzögerten Ansprechen der Stellglieder resultieren.

Aus der Zeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2001), Seiten 738–739 ist eine Strategie für die Ventilhubumschaltung mittels schaltbarer Tassenstößel dargestellt. Es wird ausgehend von einer Umschaltanforderung eine Gemischanpassung vorgenommen, wobei nachfolgend die Drosselklappe in ihre neue, zum Ventilhub nach Umschaltung gehörige Position verfahren wird. Elektrische sowie hydraulische Umschaltung der Tassenstößel erfolgen parallel zur Drosselklappenstellung. Eine Synchronisation des Stelleingriffes auf die Drosselklappe und die Hubumschaltung, ausgehend von einer Ermittlung der Laufzeit, der mechanischen Umschaltung und der Totzeit des Drosselklappeneingriffs bis zur Änderung der Füllung im Brennraum, findet nicht statt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen Ventiltrieb, der eine diskrete Umschaltung der wirksamen Ventilerhebungskurven ermöglicht, eine Steuerstrategie zu entwickeln, die einen möglichst harmonischen Verlauf des abgegebenen Drehmomentes gewährleistet, wobei eine minimale Umschaltzeitdauer erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und für gattungsgemäße Vorrichtungen erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 15 gelöst.

Für Vorrichtungen, welche eine diskrete Umschaltung der wirksamen Ventilhubkurven mittels steuerbarer Stellglieder aufweisen, erfolgt erfindungsgemäß vorteilhaft eine drehmomentneutrale und hinsichtlich der Umschaltdauer optimierte Umschaltung der Ventilhubkurven durch die Ermittlung der Totzeit, die vom Auslösen des Ansteuersignals der Drosselklappe bis zur ersten Reaktion der Füllungsänderung im Zylinder vergeht und weiterhin eine Ermittlung der Laufzeit der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilerhebungskurve vom Auslösen der Umschaltung bis zum Abschluss der Umschaltung. In vorteilhafter Weise wird ausgehend von diesen Werten der frühest mögliche Zeitpunkt der Ansteuerung der Stellglieder für die Ventilhubumschaltung und der Zeitpunkt der Ansteuerung der Drosselklappe für eine drehmomentneutrale Umschaltung ermittelt.

Die Ansteuerung des Stellgliedes zur Umschaltung und die Ansteuerung der Drosselklappe entsprechend der Totzeit der Füllungsänderung und der Umschaltdauer der Stellglieder zueinander werden ausgehend von einem zukünftigen Zeitpunkt, welchen der frühest mögliche Abschluss der Ventilhubumschaltung darstellt, zeitlich rückwärts synchronisiert. Es werden dabei der Zeitpunkt für die Ansteuerung der Stellglieder sowie der Zeitpunkt für die Ansteuerung der Drosselklappe und die Form des Ansteuersignals festgelegt, welche für eine drehmomentneutrale Umschaltung erforderlich sind. Die kürzest realisierbare Umschaltzeit, in welcher drehmomentneutral geschalten werden kann, ist dabei durch Beachtung der zeitlichen Schaltfenster sowie der Laufzeit der mechanischen Umschaltung und der Totzeiten sowie der Laufzeiten der Gasmassen aufgrund der für eine drehmomentneutrale Umschaltung notwendigen Ansteuerung der Drosselklappe möglich.

Für eine Umschaltung auf einen größeren Ventilhub wird erfindungsgemäß der zukünftige Zeitpunkt, an welchem die Umschaltung frühestmöglich abgeschlossen sein kann und von welchem aus zeitlich rückwärts die Ansteuerzeitpunkte der Stellglieder errechnet werden, bestimmt. Dieser Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP) wird bestimmt, indem die Totzeit vom Stelleingriff auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder und die Laufzeit der Gasmassen bis zum Zeitpunkt, an welchem sich der gewünschte Saugrohrdruck einstellt, addiert werden, wobei die Summe dieser Zeiten (im Weiteren Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs) mit der Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs verglichen wird. Der beim Vergleich als größerer Wert ermittelte Zeitwert wird ausgehend von der Umschaltanforderung in die Zukunft aufsummiert, so dass der Synchronisationszeitpunkt (SZP) ermittelt werden kann.

Ausgehend vom Vergleich der Summe aus dem Zeitwert für die Totzeit des Stelleingriffes auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder (im Weiteren Totzeit des Füllungseingriffs) und der Laufzeit der Gasmassen bis zum Zeitpunkt, an welchem sich der gewünschte Saugrohrdruck einstellt (im Weiteren Laufzeit des Füllungseingriffs) mit der Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ergeben sich die Möglichkeiten, dass entweder die Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs größer ist als die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve oder umgekehrt. Dies hängt weitgehend von der Stellung der Kurbelwelle, der Drehzahl und der Drosselklappenstellung ab.

Für den Fall, dass die Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs größer ist als die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ergibt sich die längste für die Umschaltung notwendige Zeitdauer aus dem Zeitpunkt der Umschaltanforderung + der Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs. Ausgehend von dem so ermittelten, frühestmöglichen Ende der Ventilumschaltung (Synchronisationszeitpunkt SZP) wird der Start der Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve ermittelt, indem die Umschaltdauer der Stellglieder für die Hubumschaltung vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt dabei die Ansteuerung der Drosselklappe mit dem Auslösen der Umschaltanforderung, da diese die längste Zeitdauer für eine drehmomentneutrale Umschaltung darstellt. Das Ansteuersignal für die Umschaltung der Ventilhubkurve erfolgt damit während des Drosselklappeneingriffs innerhalb der Totzeit oder der Laufzeit der Gasmassen.

Für den Fall, dass die Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs kleiner als die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ist, ergibt sich die längste für die Umschaltung notwendige Zeitdauer und damit der frühestmögliche Umschaltzeitpunkt aus dem Zeitpunkt der Umschaltanforderung + Umschaltdauer. Ausgehend von dem so ermittelten, frühestmöglichen Ende der Ventilhubumschaltung (Synchronisationszeitpunkt SZP) wird der Start des Eingriffs auf die Drosselklappe ermittelt, indem die Summe der Laufzeiten des Füllungseingriffs vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt dabei das Auslösen der Ventilhubumschaltung mit Auslösen der Umschaltanforderung, da diese die längste Zeitdauer für eine drehmomentneutrale Umschaltung darstellt. Der Drosselklappeneingriff zur drehmomentneutralen Umschaltung erfolgt damit während der Umschaltdauer.

Während der Umschaltung auftretende Drehmomentänderungen werden durch eine Zündwinkelverstellung kompensiert. Dies ist vorteilhaft, da sich die Verstellung des Zündwinkels nahezu sofort auf das Drehmoment auswirkt. Ein Mehrmoment durch die Vorsteuerung der Drosselklappe vor dem Umschaltzeitpunkt kann damit abgebaut werden. Der Zündwinkeleingriff endet dann mit dem Abschluss der Umschaltung auf die Ventilhubkurve größeren Ventilhubs.

Für eine Umschaltung auf einen kleineren Ventilhub erfolgt erfindungsgemäß vorteilhaft die Synchronisation ebenfalls von einem zukünftigen Zeitpunkt aus, an welchem die Ventilhubumschaltung frühest möglich abgeschlossen werden kann. Es wird dazu die Totzeit des Füllungseingriffs mit der Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs verglichen, wobei der größere Zeitwert ausgehend von der Umschaltanforderung den zukünftigen Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP) markiert.

Für den Fall, dass bei Umschaltung auf einen kleineren Ventilhub die Totzeit des Füllungseingriffs größer ist als die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs erfolgt erfindungsgemäß vorteilhaft die Ansteuerung der Drosselklappe mit Auslösen der Umschaltanforderung. Das Auslösen des Ansteuersignals für die Umschaltung der Ventilhubkurve erfolgt zu einem Zeitpunkt, an dem ausgehend vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) die Umschaltdauer der Stellglieder für die Ventilhubumschaltung subtrahiert wurde. Der Zeitpunkt für das Auslösen der Umschaltung erfolgt damit während der Totzeit des Stelleingriffs. Erfindungsgemäß vorteilhaft kann damit eine schnellstmögliche, drehmomentneutrale Umschaltung erfolgen.

Für den Fall, dass bei Umschaltung auf einen kleineren Ventilhub die Totzeit des Füllungseingriffs kleiner ist als die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs, erfolgt die Ansteuerung der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilhubkurve mit Auslösen der Umschaltanforderung. Das Ansteuersignal für die Vorsteuerung der Drosselklappe für eine drehmomentneutrale Ventilhubumschaltung wird ermittelt, indem die Totzeit des Füllungseingriffs vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird. Der Zeitpunkt für den Stelleingriff auf die Drosselklappe zur drehmomentneutralen Ventilhubumschaltung liegt damit während der Umschaltdauer auf die neue Ventilhubkurve.

Für eine Umschaltung auf eine Ventilhubkurve geringeren Ventilhubs erfolgt ab dem Synchronisationszeitpunkt (SZP), an welchem die Umschaltung auf die Ventilhubkurve geringeren Ventilhubs abgeschlossen ist, eine Korrektur des Drehmomentes über eine Zündwinkelverstellung in Richtung „früh". In vorteilhafter Weise kann damit der bei Umschaltung der Ventilhubkurve auftretende Drehmomenteinbruch durch die Zündwinkelkorrektur bis zum Ende der Laufzeit der Gasmassen kompensiert werden.

Erfindungsgemäß vorteilhaft kann die Totzeit des Füllungseingriffs aufgrund des Drehmomentverlaufes ermittelt werden, indem ausgehend vom Beginn der Stellungsänderung der Drosselklappe die Zeitdauer ermittelt wird, an welcher eine erste Reaktion auf das abgegebene Drehmoment erfolgt. Es ist weiterhin möglich, die Totzeit des Füllungseingriffs aus einem vorher ermittelten, mindestens über Drehzahl und Luftmenge bestimmten Kennfeld auszulesen. Eine weitere Möglichkeit ist die Bestimmung der Totzeit über ein Modell, das wenigstens die Eingangsgrößen Drehzahl und Luftmenge enthält und in welchem sich der physikalische Zusammenhang der strömenden Massen im Saugrohr, die Luftmengen, die Druckverhältnisse etc. abbilden.

Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Laufzeit des Füllungseingriffes aufgrund des Drehmomentverlaufs ermittelt, indem der Zeitpunkt ermittelt wird, an welchem die Drehmomentänderung auf Basis des Drosselklappeneingriffs abgeschlossen ist, wobei hier die Totzeit des Füllungseingriffes subtrahiert werden muss. Es ist weiterhin möglich, über eine Messung im Saugrohr festzustellen, zu welchem Zeitpunkt sich ausgehend vom Drosselklappeneingriff die gewünschte Änderung der Luftfüllung im Saugrohr eingestellt hat. Auch hier ist wieder die Totzeit der Füllungsänderung zu subtrahieren. Die Laufzeit kann ebenfalls aus einem mindestens über Drehzahl und Luftmenge bestimmten vordefinierten Kennfeld ausgelesen werden oder über ein Modell, das wenigstens die Eingangsgrößen Drehzahl und Luftmenge enthält und die physikalischen Zusammenhänge im Saugrohr abbildet, ermittelt werden.

Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt in einem einfachen Fall die Ermittlung der Umschaltdauer aus den bekannten Verzugszeiten der Stellglieder. Für Stellglieder, welche nur ein bestimmtes Zeitfenster der Umschaltung nutzen können, muss zusätzlich die Kurbelwellenstellung und die Drehzahl berücksichtigt werden. Erfolgt die Umschaltung mit einer Führungskulisse, mit welcher die neue Ventilhubkurve eingestellt wird, so sind deren Bahn und die Drehzahl ebenfalls zu berücksichtigen. Die Umschaltdauer kann dabei als Festwert der Verzugszeiten der Stellglieder bestimmt sein oder als Kennlinie bzw. Kennfeld über die beschriebenen Größen ermittelt werden. Eine Modellrechnung, die anhand der gemessenen Größen, z. B. Kurbelwinkel und Drehzahl, die Umschaltdauer ermittelt, ist ebenfalls möglich, wenn in dem Modell die physikalischen Zusammenhänge der Umschaltung abgebildet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch dargestellten Umschaltabfolgen erläutert.
1 zeigt eine Umschaltung auf eine Ventilhubkurve größeren Ventilhubs, wobei ohne Korrektureingriff auf Zündwinkel und Luftfüllung ein positiver Drehmomentsprung erfolgen würde. Ausgehend von einer Umschaltanforderung UA, welche beispielsweise durch eine steigende Lastanforderung seitens des Fahrers ausgelöst und vom Steuergerät erkannt wird, beginnt die Koordination des nachfolgend ablaufenden Umschaltvorganges. Dabei werden die Totzeit des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zu einer dadurch verursachten Füllungsänderung im Zylinder (Totzeit des Füllungseingriffs TZF) und die Laufzeit der Gasmassen bis zu dem Zeitpunkt, an welchem sich der gewünschte Saugrohrdruck einstellt (Laufzeit des Füllungseingriffes LZF), ermittelt. Die Totzeit TZF sowie die Laufzeit LZF des Füllungseingriffes können dabei aus abgespeicherten Kennfeldern entsprechend der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine oder aus einer Modellbetrachtung des Einlasstraktes ermittelt werden, wobei im einfachsten Fall definierte Festwerte genutzt werden oder die Tot- bzw. die Laufzeit aus einem Kennfeld, welches in Abhängigkeit von der Luftmasse und der Drehzahl ermittelt wurde, ausgelesen werden. Aus den so ermittelten Werten für Laufzeit LZF und Totzeit TZF des Füllungseingriffes wird die Summe SF gebildet. Weiterhin wird die Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve ermittelt. Diese kann ebenfalls aus Kennfeldern ausgelesen werden, als Festwert abgespeichert sein oder berechnet werden. Die Berechnung kann beispielsweise aus der Winkelgeschwindigkeit·mechanischer Umschaltwinkel + der Verzugszeit des Elektromagnetstellers f(T) + der Totzeit des Elektromagnetstellers + dem Schaltfenster – momentaner Motorposition erfolgen. Weitere Größen können ebenfalls in die Berechnung eingehen.
Es können hierbei auch geometrische Zuordnungen der Umschaltanordnung zur Kurbelwellenlage einen Einfluss haben, sodass durch die Umschaltanordnung eine mechanische Schaltung nur in einem bestimmten Kurbelwinkelfenster möglich ist. Beispielhaft sei hier die DE 100 54 623 A1 genannt, deren Offenbarungsgehalt hier explizit eingeschlossen wird. Bei der genannten Umschaltanordnung wird an einer Führungskulisse ein Nockenpaket in seiner Lage verstellt. Die Umschaltung der Ventilhubkurven ist jeweils nur in einem definierten Umschaltfenster, bezogen auf die Stellung der Kurbelwelle, möglich, da die mechanische Einrastung der Umschaltstifte in die Führungsbahn der Schaltmechanik nur zu einer speziellen Kurbelwellenstellung erfolgen kann. Die Umschaltdauer wird für solche Umschaltanordnungen zumindest als Funktion der Drehzahl- und der Kurbelwellenstellung ermittelt. Dies erfolgt durch Auslesen der Momentanposition der Kurbelwelle zum Zeitpunkt der Umschaltanforderung und Ermittlung des Abstandes zum mechanisch möglichen Umschaltzeitpunkt, an welchem die mechanischen Stellglieder betätigt werden können, wobei weiterhin der Kurbelwinkelbereich, der überstrichen wird, bis die mechanische Umschaltung vollzogen ist, hinzuaddiert werden muss. Die Umschaltdauer UDS als Zeitwert kann nachfolgend aus der Kenntnis des Kurbelwinkels bis zur Umschaltung und aus dem Messwert der Drehzahl ermittelt werden.
Die Umschaltdauer UDS kann weiterhin Totzeiten bis zum Ansprechen der Stellglieder, die Dauer des Stelleingriffs, beispielsweise die Anzugszeiten von Steuermagneten, die Zeiten zum Bestromen von Elektromotoren etc. sowie weitere mechanische Verzugszeiten beinhalten. Diese variieren in Abhängigkeit von der Konfiguration der Umschaltanordnung.
Es wird nachfolgend die Summe SF von Totzeit TZF und Laufzeit LZF des Füllungseingriffs mit der Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs verglichen. Der größere der beiden Zeitwerte wird zum Zeitpunkt der Umschaltanforderung UA hinzuaddiert, woraus sich der zukünftige Zeitpunkt, zu welchem die Ventilhubumschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist (Synchronisationszeitpunkt SZP), ergibt.
Für den in 1 dargestellten Fall, dass die Summe SF der Totzeit TZF und der Laufzeit LZF des Füllungseingriffs größer als die Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ist, wird der Stelleingriff auf die Drosselklappe mit der Umschaltanforderung UA ausgelöst. Das Auslösen des mechanischen Umschaltens (Zeitpunkt der Ansteuerung der mechanischen Stellorgane zur Ventilhubumschaltung) erfolgt zu einem Zeitpunkt ZU, der ausgehend vom Synchronisationszeitpunkt SZP, an welchem die Umschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist, berechnet wird. Dies erfolgt, indem die Umschaltdauer UDS vom Synchronisationszeitpunkt SZP subtrahiert wird. Während der Laufzeit LZF des Füllungseingriffs, erfolgt, beginnend mit Ende der Totzeit des Füllungspfades TZF, ein Verstellen des Zündwinkels in Richtung „spät", um eine durch den Eingriff auf die Drosselklappe hervorgerufene Drehmomentsteigerung abzubauen.
2 zeigt ebenfalls eine Umschaltung auf eine Ventilhubkurve größeren Ventilhubs, wobei ohne Korrektureingriff auf Zündwinkel und Füllung ein positiver Drehmomentsprung erfolgen würde. Der Umschaltalgorithmus ist dem in 1 dargestellten insoweit ähnlich, als von der Umschaltanforderung UA ausgehend die Totzeit TZF und die Laufzeit LZF des Füllungseingriffs ermittelt werden und deren Summe SF mit der Umschaltdauer UDS der Stellglieder verglichen wird. Abweichend vom Umschaltvorgang in 1 ist die Umschaltdauer UDS der Stellglieder größer als die Summe SF. Der Umschaltvorgang der Stellglieder wird für eine drehmomentneutrale Umschaltung mit kurzer Schaltdauer direkt nach der Umschaltanforderung UA ausgelöst, während die Steuerung der Luftfüllung über die Ansteuerung der Drosselklappe zeitverzögert erfolgt. Ausgehend vom Synchronisationszeitpunkt SZP, an welchem die Umschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist, wird der Zeitpunkt des Füllungseingriffs ZF berechnet, indem die Summe SF von Totzeit TZF und Laufzeit LZF des Füllungseingriffs vom Synchronisationszeitpunkt SZP subtrahiert wird. Während der Laufzeit LZF des Füllungseingriffs erfolgt, beginnend mit Ende der Totzeit des Füllungseingriffs TZF, ein Verstellen des Zündwinkels in Richtung „spät", um eine durch den Eingriff auf die Drosselklappe hervorgerufene Drehmomentsteigerung abzubauen.
3 zeigt eine Umschaltung auf eine Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs, wobei ohne Korrektureingriff auf Zündwinkel und Füllung ein negativer Drehmomentsprung erfolgen würde. Ausgehend von einer Umschaltanforderung UA, welche vom Steuergerät erkannt wird und beispielsweise durch eine sinkende Lastanforderung seitens des Fahrers ausgelöst wird, beginnt die Koordination des nachfolgend ablaufenden Umschaltvorganges. Dabei wird die Totzeit TZF des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zu einer dadurch verursachten Füllungsänderung im Zylinder ermittelt. Weiterhin wird die Umschaltdauer der Stellglieder UDS für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve ermittelt. Die Totzeit TZF und die Umschaltdauer UDS können dabei wie zu 1 beschrieben ermittelt werden. Es wird nachfolgend die Totzeit TZF des Füllungseingriffs mit der Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs verglichen, wobei der größere der beiden Zeitwerte zum Zeitpunkt der Umschaltanforderung UA hinzuaddiert wird, woraus sich der zukünftige Zeitpunkt, an welchem die Ventilhubumschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist (Synchronisationszeitpunkt SZP), ergibt.
Für den in 3 dargestellten Fall, dass die Totzeit TZF kleiner als die Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ist, wird die mechanische Umschaltung zum Zeitpunkt ZU sofort nach der Umschaltanforderung ausgelöst. Der Stelleingriff auf die Drosselklappe erfolgt zu einem Zeitpunkt ZF, der ausgehend vom Synchronisationszeitpunkt SZP, an welchem die Umschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist, berechnet wird. Der Zeitpunkt ZF wird ermittelt, indem die Totzeit TZF vom Synchronisationszeitpunkt SZP subtrahiert wird. An die Totzeit TZF des Füllungseingriffes schließt sich die Laufzeit LZF des Füllungseingriffes an. Zu diesem Zeitpunkt ist die mechanische Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve bereits abgeschlossen. Beginnend mit Ende der Totzeit des Füllungspfades TZF erfolgt ein Verstellen des Zündwinkels in Richtung „früh", um einen durch die Umschaltung erfolgten Drehmomenteinbruch bis zum Abschluss der Laufzeit LZF zu kompensieren.
4 zeigt wie 3 eine Umschaltung auf eine Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs, wobei ohne Korrektureingriff auf Zündwinkel und Füllung ein negativer Drehmomentsprung erfolgen würde. Ausgehend von einer Umschaltanforderung UA beginnt die Koordination des nachfolgend ablaufenden Umschaltvorganges. Dabei wird die Totzeit TZF des Füllungseingriffs ermittelt. Weiterhin wird die Umschaltdauer der Stellglieder UDS für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve ermittelt. Die Totzeit TZF und die Umschaltdauer UDS können dabei wie zu 1 beschrieben ermittelt werden. Es wird nachfolgend die Totzeit TZF des Füllungseingriffs mit der Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs verglichen. Der größere der beiden Zeitwerte wird zum Zeitpunkt der Umschaltanforderung UA hinzuaddiert, woraus sich der zukünftige Zeitpunkt, an welchem die Ventilhubumschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist (Synchronisationszeitpunkt SZP), ergibt.
Für den in 4 dargestellten Fall, dass die Totzeit TZF größer als die Umschaltdauer UDS der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs ist, wird die Ansteuerung der Drosselklappe für die drehmomentneutrale Umschaltung der Ventilhubkurven sofort nach der Umschaltanforderung ausgelöst. Die Ansteuerung der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilhubkurven erfolgt zu einem Zeitpunkt ZU, der ausgehend vom Synchronisationszeitpunkt SZP, an welchem die Umschaltung frühestmöglich abgeschlossen ist, berechnet wird, indem die Umschaltdauer UDS vom Synchronisationszeitpunkt SZP subtrahiert wird. An die Totzeit TZF des Füllungseingriffs schließt sich die Laufzeit LZF des Füllungseingriffs an. Zu diesem Zeitpunkt ist die mechanische Umschaltung bereits abgeschlossen. Beginnend mit Ende der Totzeit des Füllungseingriffes TZF, erfolgt ein Verstellen des Zündwinkels in Richtung „früh", um einen durch die Umschaltung erfolgten Drehmomenteinbruch bis zum Abschluss der Laufzeit LZF zu kompensieren.

TZF: Totzeit des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zu einer dadurch
: verursachten Füllungsänderung im Zylinder
LZF: Laufzeit der Gasmassen bis zum Zeitpunkt, an welchem sich der
: gewünschte Saugrohrdruck einstellt
SZP: Synchronisationszeitpunkt, an welchem die Ventilhubumschaltung
: frühestmöglich abgeschlossen werden kann
ZWE: Zündwinkeleingriff (Zündwinkelkorrektur in Richtung „früh" oder
: „spät)
ZU: Zeitpunkt der Ansteuerung der mechanischen Stellglieder zur
: Ventilhubumschaltung
ZF: Zeitpunkt des Korrektureingriffs auf die Drosselklappe
UDS: Umschaltdauer der Stellglieder
UA: Umschaltanforderung
SF: Summe aus Laufzeit LZF und Totzeit TZF des Füllungseingriffes

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die für die Steuerung des Ladungswechsels wenigstens zwei unterschiedliche Ventilerhebungskurven aufweist, wobei eine Einrichtung zur Umschaltung der wirksamen Ventilerhebungskurven vorgesehen ist, die über die Ansteuerung von Stellgliedern die jeweils wirksame Ventilerhebungskurve umschaltet, wobei die Brennkraftmaschine wenigstens eine von einem Steuergerät ansteuerbare Drosselklappe sowie wenigstens ein steuerbares Einspritzelement aufweist und die Steuerung zur Umschaltung derart erfolgt, dass aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Erkennung einer Umschaltanforderung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Ansteuersignals der Drosselklappe die Totzeit bis zur Füllungsänderung (TZF) im Zylinder und die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilerhebungskurve vom Auslösen der Umschaltung bis zum Abschluss der Umschaltung ermittelt werden, wobei der Zeitpunkt der Ansteuerung der mechanischen Stellglieder (ZU) zur Ventilhubumschaltung und die Ansteuerung der Drosselklappe entsprechend der Totzeit der Füllungsänderung (TZF) und der Umschaltdauer der Stellglieder (UDS) zueinander synchronisiert werden, wobei der Ansteuerzeitpunkt der Stellglieder ausgehend von einem zukünftigen Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP), an welchem die Umschaltung der Ventilerhebungskurve abgeschlossen ist, zeitlich rückwärts ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Umschaltung auf einen größeren Ventilhub der zukünftige Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP), von welchem aus sich zeitlich rückwärts die Ansteuerzeitpunkte der Stellglieder (ZU) errechnen, derart bestimmt wird, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder und die Laufzeit der Gasmassen (LZF), bis zum Zeitpunkt, an welchem sich der gewünschte Saugrohrdruck einstellt, addiert werden und die Summe mit der Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs verglichen wird, wobei der größere Zeitwert ausgehend von der Umschaltanforderung (UA) den zukünftigen Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP) markiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder größer ist als die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs die Ansteuerung der Drosselklappe mit dem Auslösen der Umschaltanforderung (UA) erfolgt und das Auslösen des Ansteuersignals für die Umschaltung der Ventilhubkurve derart ermittelt wird, dass die Umschaltdauer der Stellglieder für die Ventilhubumschaltung vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird und damit ein Zeitpunkt (ZF) für den Stelleingriff ermittelt wird, der während der Totzeit des Stelleingriffs (TZF) auf die Drosselklappe oder der Laufzeit (LZF) des Füllungseingriffs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder kleiner ist als die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs die Ansteuerung der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilhubkurve mit Auslösen der Umschaltanforderung (UA) erfolgt und das Ansteuersignal für die Drosselklappe derart ermittelt wird, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird und damit ein Zeitpunkt (ZF) für den Stelleingriff auf die Drosselklappe ermittelt wird, der während der Umschaltdauer (UDS) auf die neue Ventilhubkurve liegt.
Verfahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass ab dem Synchronisationszeitpunkt (SZP), an welchem die Umschaltung auf die Ventilhubkurve geringeren Ventilhubs abgeschlossen ist, eine Korrektur des abgegebenen Drehmoments über einen Zündwinkeleingriff (ZWE) in Richtung „spät" erfolgt, wobei die durch die Umschaltung der Ventilhubkurve auftretende Drehmomentsteigerung durch die Zündwinkelkorrektur bis zum Ende der Laufzeit der Gasmassen kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Umschaltung auf einen kleineren Ventilhub der zukünftige Zeitpunkt (SZP), von welchem aus zeitlich rückwärts die Ansteuerzeitpunkte (ZU) der Stellglieder errechnet werden, derart bestimmt wird, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder und die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve kleineren Ventilhubs verglichen werden, wobei der größere Zeitwert ausgehend von der Umschaltanforderung (UA) den zukünftigen Zeitpunkt (Synchronisationszeitpunkt SZP) markiert.
Verfahren nach Anspruch 1 u. 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder größer ist als die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs die Ansteuerung der Drosselklappe mit Auslösen der Umschaltanforderung (UA) erfolgt und das Auslösen des Ansteuersignals für die Umschaltung (ZU) der Ventilhubkurve derart ermittelt wird, dass die Umschaltdauer (UDS) der Stellglieder für die Hubumschaltung vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird und damit ein Zeitpunkt (ZF) für den Stelleingriff ermittelt wird, der während der Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder kleiner ist als die Umschaltdauer der Stellglieder (UDS) für die Umschaltung auf die neue Ventilhubkurve größeren Ventilhubs die Ansteuerung der Stellglieder für die Umschaltung (ZU) der Ventilhubkurve mit Auslösen der Umschaltanforderung (UA) erfolgt und das Ansteuersignal für die Drosselklappe derart ermittelt wird, dass die Totzeit (TZF) des Stelleingriffs auf die Drosselklappe bis zur Füllungsänderung im Zylinder vom Synchronisationszeitpunkt (SZP) subtrahiert wird und damit ein Zeitpunkt (ZF) für den Stelleingriff auf die Drosselklappe ermittelt wird, der während der Umschaltdauer (UDS) auf die neue Ventilhubkurve liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass ab dem Synchronisationszeitpunkt (SZP), an welchem die Umschaltung auf die Ventilhubkurve geringeren Ventilhubs abgeschlossen ist, eine Korrektur des Drehmoments über einen Zündwinkeleingriff (ZWE) in Richtung „früh" erfolgt, wobei der durch die Umschaltung der Ventilhubkurve auftretende Drehmomenteinbruch durch die Zündwinkelkorrektur bis zum Ende der Laufzeit der Gasmassen kompensiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (TZF) des Füllungseingriffes aufgrund des Drehmomentverlaufs ermittelt oder aus einem mindestens über Drehzahl und Luftmenge bestimmten vordefinierten Kennfeld ausgelesen wird oder über ein Modell, das wenigstens die Eingangsgrößen Drehzahl und Luftmenge enthält, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des Füllungseingriffs (LZF) aufgrund des Drehmomentverlaufs ermittelt wird oder aus einem mindestens über Drehzahl und Luftmenge bestimmten vordefinierten Kennfeld ausgelesen wird oder über ein Modell, das wenigstens die Eingangsgrößen Drehzahl und Luftmenge enthält, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltdauer (UDS) mindestens aus der Kurbelwellenstellung bei der Umschaltanforderung und der Drehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Umschaltanordnung, welche die Ventilhubkurven diskret durch Verstellung eines gesamten Nockenpaketes schaltet, wobei die Umschaltung nur in einem bestimmten Umschaltfenster bezogen auf die Stellung der Kurbelwelle erfolgen kann, sich die Umschaltdauer (UDS) aus der Addition der Totzeit der Stellglieder und einer mechanisch bedingten Laufzeit ergibt, die sich aus der Drehzahl, dem Kurbelwinkel bis zum möglichen Umschaltpunkt und dem Kurbelwinkel, der überstrichen wird, bis die Umschaltung mechanisch abgeschlossen ist, ergibt.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1–13 geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, wobei es auf einem Speicher des Computers abgelegt ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Speicher umfasst, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 14 abgelegt ist.