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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
EP 1 307 642 B1 offenbart eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben. Der Kolben ist mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt, dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten. Insbesondere soll dadurch eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses und des Kolbenhubs ermöglicht werden. Das Übertragungsglied ist als Querhebel ausgebildet, der über ein Gelenk mit der Kurbel gekoppelt ist Dieses Gelenk liegt im zwischen liegenden Bereich zwischen einem Lagerpunkt des Querhebels zum Steuerhebel und einem Lagerpunkt des Querhebels zum Pleuel. Das Gelenk ist zwischen Querhebel und Kurbel mit Abstand zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lagerpunkten des Querhebels zum Steuerhebel bzw. zum Pleuel angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Pleuel-Lagerpunkt und die Seitenlange zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Lagerpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Pleuel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt sich bezogen auf den Kurbelradius auf bestimmte Weise bemessen.
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Ferner ist der
DE 10 2004 043 527 A1 ein Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen als bekannt zu entnehmen. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Motorsteuerung auf Drehmomentenbasis, wobei bei dem Verfahren während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein aktueller globaler Verdichtungswirkungsgrad für ein aktuelles Verdichtungsverhältnis und einen aktuellen Zündwinkel mit einer bestimmten Formel berechnet wird. Ferner wird ein globaler Verbrennungswirkungsgrad für die anderen möglichen Verdichtungsverhältnisse bei optimalem Zündwinkel für das betreffende Verdichtungsverhältnis mit einer gewissen Formel berechnet. Der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad wird mit dem alternativen globalen Verbrennungswirkungsgrad verglichen, um den größtmöglichen globalen Verbrennungswirkungsgrad zu bestimmen. Anschließend wird der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Verdichtungsverhältnis für den größtmöglichen Verbrennungswirkungsgrad fortgeführt.
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Die bekannte Hubkolben-Brennkraftmaschine sowie das bekannte Verfahren weisen weiteres Potential auf, den Betrieb einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses zu verbessern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches ein verbessertes Betreiben der Stelleinrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine wird die Stelleinrichtung in der Abhängigkeit von wenigstens einem, eine Last und die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine charakterisierenden Signal betrieben
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis von einem eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnis auf ein dazu unterschiedliches Soll-Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, wenn ein integral einer Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses vom Soll-Verdichtungsverhältnis über der Zeit einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, wobei die Abweichung mit wenigstens einem von der Last abhängigem und vorgebbaren Wichtungsfaktor gewichtet wird. Dadurch ist eine insbesondere kennfeldabhängige Wichtung eines Soll-Signals, welches das einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis vorgibt, geschaffen. Dadurch kann die Reaktion der Stelleinrichtung auf das Soll-Signal, welches wiederum von dem die Last und die Drehzahl charakterisierenden Signal abhängt, bedarfsgerecht eingestellt und auf unterschiedliche Bereiche des Kennfelds angepasst werden.
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Dabei ist es möglich, dass die Stelleinrichtung auf Regelabweichungen, das heißt auf die Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses vom Soll-Verdichtungsverhältnis, z. B. in einem oberen Lastbereich schneller, das heißt in kürzerer Zeit reagiert, als in einem dem gegenüber niedrigeren Lastbereich im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere der obere Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine hat einen großen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und damit auf die CO2-Emissionen. Ebenso kann die Stelleinrichtung auf Regelabweichungen, das heißt auf die Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses vom Soll-Verdichtungsverhältnis, in einem oberen Drehzahlbereich schneller, das heißt in kürzerer Zeit reagieren, als in einem dem gegenüber niedrigeren Drehzahlbereich im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass durch dieses unnötige Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses vom Ist-Verdichtungsverhältnis zu dem Soll-Verdichtungsverhältnis, welche sich auf den Kraftstoffverbrauch nicht merklich auswirken würden, vermieden werden. Insbesondere wird vermieden, dass das Verdichtungsverhältnis ausgehend von dem eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnis hin zu einem demgegenüber höheren Verdichtungsverhältnis verstellt wird. Dadurch wird bei einer gegebenen Stellgeschwindigkeit der Stelleinrichtung eine negative Beeinflussung einer Dynamik der Verbrennungskraftmaschine und damit eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftmagens, mit der Verbrennungskraftmaschine vermieden. Dies bedeutet, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren hohe Stelldynamiken zum schnellen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ausgehend von einem Ist-Verdichtungsverhältnis hin zu dem Soll-Verdichtungsverhältnis und damit eine hohe Dynamik des Kraftwagens zu erfüllen sind.
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Weiterhin ist es möglich, einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, der Stelleinrichtung zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses insbesondere hinsichtlich seiner Dimensionen und Leistungsaufnahme gering zu dimensionieren. Dies ist der Fall, da häufige und schnelle Verstellungen des Verdichtungsverhältnis, beispielsweise hervorgerufen durch häufige und schnelle Schwankungen der Last der Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer, vermieden sind. Dies hält auch das Gewicht und die Kosten des für die Verstellung eingesetzten Elektromotors gering, was mit einem geringen Gewicht sowie mit geringen Kosten für die gesamte Stelleinrichtung einhergeht. Ferner kann dadurch auch der Bauraumbedarf der Stelleinrichtung in einem geringen Rahmen gehalten werden, was zur Vermeidung und/oder zur Lösung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens beitragt.
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Bei der Verbrennungskraftmaschine kommt der Stelleinrichtung die Aufgabe zu, das Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine anzupassen und somit bedarfsgerecht einzustellen. So können der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen gering gehalten werden Das einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis hängt dabei insbesondere ab von dem die Last charakterisierenden Signal. Die Last der Verbrennungskraftmaschine wird dabei beispielsweise durch eine Pedalstellung eines Fahrpedals von einem Fahrer des Kraftwagens vorgegeben. Der Fahrer kann durch die Pedalstellung des Fahrpedals eine gewünschte Last, das heißt ein gewünschtes Drehmoment, von der Verbrennungskraftmaschine anfordern.
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Je nach Fahrweise des Fahrers können die Pedalstellung des Fahrpedals und damit die Last innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne schnell und häufig schwanken Dies ist insbesondere bei einem Beschleunigen des Kraftwagens der Fall, was mit einem Gangwechsel eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Getriebes des Kraftwagens einhergeht Insbesondere ist dies bei Handschaltgetrieben gegeben, bei welchen der Gangwechsel manuell durch den Fahrer zu bewirken ist
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Herkömmlicherweise reagiert die Stelleinrichtung zeitlich zumindest nahezu unmittelbar auf die schwankende Last und ein in Abhängigkeit von der Last schwankendes Soll-Signal, welches das einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisiert. Mit anderen Worten wird ein Ist-Signal, welches das tatsächlich und aktuell eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisiert, herkömmlicherweise zumindest unmittelbar dem Soll-Signal nach geführt, so dass es bei zumindest nahezu jeder Lastschwankung zu einer entsprechenden Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kommt Diese häufigen Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses führen zu einer hohen Belastung des Stellers, der deswegen unnötig groß ausgeführt werden muss. Andererseits bewirken die häufigen Verstellungen in vielen Fällen keine nennenswerte thermodynamische Verbrauchseinsparung. Sie kosten vielmehr ihrerseits Energie, die wiederum der mechanisch geleisteten Energie des Verbrennungsmotors entnommen werden muss Diese Problematik ist durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, da die Verstellung des Ist-Verdichtungsverhältnis hin zu dem Soll-Verdichtungsverhältnis, das heißt die Nachführung des Ist-Signals zu dem Soll-Signal, sowohl von dem Integral der Abweichung, der sogenannten Regelabweichung, über die Zeit sowie von der Bedeutung eines vorliegenden Lastpunktes für den gesamten Kraftstoffverbrauch erfolgt. Die Bedeutung des jeweiligen Lastpunktes für den gesamten Kraftstoffverbrauch findet Ausdruck in der Wichtung der Regelabweichung mit dem von der Last und der Drehzahl abhängigen und vorgebbaren Wichtungsfaktor.
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So ist es für den Kraftstoffverbrauch zumindest im Wesentlichen unerheblich, mit welcher Verdichtung ein Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine dargestellt wird In dem Schubbetrieb erfolgen in den Brennräumen, insbesondere in den Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine keine Verbrennungen. Vielmehr wird die Verbrennungskraftmaschine über wenigstens ein Rad des Kraftwagens angetrieben. Im Gegensatz dazu ist das Verdichtungsverhältnis bei einem gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, bei welchem Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen durchgeführt und relativ hohe effektive Mitteldrücke (pme) auftreten, von großer Bedeutung. Beide Betriebe, das heißt sowohl der Schubbetrieb als auch der gefeuerte Betrieb, können dabei z. B. ein maximal einzustellendes Soll-Verdichtungsverhältnis verlangen. Mit anderen Worten kann bei beiden Betrieben vorgesehen sein, dass das Soll-Signal das maximal einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis vorgibt. Während es jedoch in ersten Fall (Schubbetrieb) unwesentlich für den Verbrauch ist, mit welchem Verdichtungsverhältnis gefahren wird, ist es das im zweiten Fall keineswegs.
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Dieser Tatsache wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Wichtung der Regelabweichung mit dem Wichtungsfaktor Rechnung getragen. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Wichtungsfaktor und der Last bzw. dem die Last charakterisierenden Signal ein nicht-linearer Zusammenhang gegeben. Ebenso ist zwischen dem Wichtungsfaktor und der Drehzahl bzw. dem die Drehzahl charakterisierenden Signal ein nicht-linearer Zusammenhang gegeben.
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Eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ausgehend von einem Ist-Verdichtungsverhältnis zu einem Soll-Verdichtungsverhältnis, wobei das Soll-Verdichtungsverhältnis geringer ist als das Ist-Verdichtungsverhältnis, kann beispielsweise, wegen der Unterstützung dieser Verstellrichtung durch die Gaskraft in den Verbrennungsräumen des Verbrennungsmotors, mit einem geringerem Energieaufwand durch die Stelleinrichtung, insbesondere dessen Motor, erfolgen als eine Verstellung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses in Richtung eines dem gegenüber höherem Verdichtungsverhältnisses. Daher können auch in diesem Fall die Wichtungsfaktoren unterschiedlich groß gewählt werden, so dass die Wichtungsfaktoren in Abhängigkeit davon vorgebbar sind bzw. vorgegeben werden, ob eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ausgehend von einem tatsächlichen Ist-Verdichtungsverhältnis hin zu einem demgegenüber höheren, oder hin zu einem demgegenüber niedrigeren Verdichtungsverhältnis erfolgt bzw. erfolgen soll.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine besonders bedarfsgerechte Verstellung des Verdichtungsverhältnisses mithilfe der Wichtung der Regelabweichung in Bezug auf den Kennfeldpunkt in dem der Verbrennungsmotor aktuell betrieben wird bzw. nach der Verstellung betrieben werden soll, wodurch tatsächlich nur die für den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine relevanten Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses durchgeführt werden. Mit anderen Worten ermöglicht das Verfahren eine bedarfsgerechte Einstellung und Verstellung des Verdichtungsverhältnisses, bei gleichzeitiger Vermeidung unnötiger Verstellungen des Verdichtungsverhältnisses, welche auf einen niedrigen Kraftstoffverbrauch keinen oder keinen merklichen Einfluss haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1307642 B1 [0002]
- DE 102004043527 A1 [0003]