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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstellen von Steuerzeiten wenigstens eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine während des Starts der Brennkraftmaschine. Die Steuerzeiten können hierbei kontinuierlich oder diskret verstellbar sein.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
DE 10 2008 015 152 A1 ist ein Verfahren zur Verstellung einer Nockenwelle mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers bekannt. Im Rahmen dieses bekannten Verfahrens ist vorgesehen, den Nockenwellenversteller während des Abstellvorgangs der Brennkraftmaschine auf seine Endlage „früh“ zu verstellen. Dies hat den Vorteil, dass beim erneuten Start der Brennkraftmaschine der Nockenwellenversteller aufgrund gegebener Reibmomente mit geringem Energieaufwand in Richtung „spät“ verstellt werden kann. Auf diese Weise ist rasch eine gewünschte Zieleinstellung des Nockenwellenverstellers erreichbar.
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Weitere Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers sind aus der
DE 10 2008 039 007 A1 sowie aus der
DE 10 2008 039 008 A1 bekannt. In den genannten Dokumenten wird insbesondere auf den Anlassvorgang der Brennkraftmaschine eingegangen. Beim Anlassen der Brennkraftmaschine wird der Steuertrieb vorpositioniert, was geregelt oder ungeregelt erfolgen kann. Während bei ungeregelter Vorpositionierung „blind“ in eine Richtung verstellt wird, erfolgt bei geregeltem Verstellen ein kontinuierlicher Soll-Ist-Vergleich.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mechanismus zur Verstellung von Steuerzeiten zumindest eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Eignung für Fahrzeuge mit Start-Stopp-System weiterzuentwickeln.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren ist anwendbar bei Mechanismen zur Verstellung der Steuerzeiten mindestens eines Einlassventils, bei welchen zwei Extremeinstellungen der Steuerzeiten voneinander unterscheidbar sind. Zwei wählbare Einstellpositionen des Verstellmechanismus liegen näher bei der ersten Extremeinstellung beziehungsweise näher bei der zweiten Extremeinstellung, wobei die voneinander unterscheidbaren Einstellpositionen auch mit den jeweiligen Extremeinstellungen identisch sein können. Insgesamt kann, je nach Bauart des Mechanismus zur Verstellung der Steuerzeiten, insbesondere Einlassventil-Schließzeiten, eine endliche oder unendliche Anzahl an Einstellmöglichkeiten gegeben sein.
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Im Fall einer ausschließlich diskreten Umschaltmöglichkeit zwischen zwei Ventilerhebungskurven, welche zum Beispiel durch ein Schiebenockensystem realisierbar ist, ist jede von zwei möglichen Einstellpositionen des Mechanismus zur Verstellung des Steuerzeiten einer bestimmten Ventilerhebungskurve und damit einer jeweils charakteristischen Wahl der Steuerzeiten der Gaswechselventile, insbesondere Einlassventile, zugeordnet. Entsprechendes gilt für Brennkraftmaschinen mit schaltbaren Nockenfolgern, beispielsweise Schalttassen oder schaltbaren Schlepphebeln.
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Im Unterschied hierzu kann beispielsweise bei einem Raumnockensystem ein Kontinuum möglicher Einstellpositionen zwischen zwei Extremeinstellungen der Steuerzeiten gegeben sein. Ebenso ist bei einem System zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine in Relation zur Kurbelwelle, insbesondere bei einem elektrischen Nockenwellenversteller, keine grundsätzliche Limitierung der Anzahl der Einstellpositionen, welche zwischen zwei Extremeinstellungen der Steuerzeiten liegen, gegeben. Grundsätzlich gilt dies auch für hydraulische Nockenwellenversteller.
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In allen genannten Fällen unterscheidet sich die erste Einstellposition von der ersten Extremeinstellung der Steuerzeiten weniger als von der zweiten Extremeinstellung der Steuerzeiten. Dagegen unterscheidet sich die zweite Einstellposition weniger von der zweiten Extremeinstellung der Steuerzeiten als von der ersten Extremeinstellung der Steuerzeiten. Beim Starten der Brennkraftmaschine erfolgt eine Verstellung von einer der genannten Einstellpositionen in die andere Einstellposition, bevor die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erreicht ist. Die Verstellung der Steuerzeiten kann während des Anlassens der Brennkraftmaschine entweder in eine einzige Richtung oder mit wechselnden Richtungen erfolgen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sowohl ein frühes Schließen der Einlassventile während des Startvorgangs als auch ein spätes Schließen der Einlassventile während des Startvorgangs spezifische Vor- und Nachteile mit sich bringt. Bei sehr niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, wie sie beim Startvorgang gegeben sind, wird eine bessere Zylinderfüllung tendenziell durch frühe Steuerzeiten der Einlassnockenwelle erreicht, sofern das Einlassventil nach dem unteren Totpunkt schließt. In Fällen, in denen das Einlassventil vor dem unteren Totpunkt schließt, wird eine gute Füllung des Zylinders ebenfalls mit einem Schließzeitpunkt des Einlassventils nahe des unteren Totpunkts erreicht. Die gute Füllung des Zylinders ist in jedem Fall mit einem zügigen Anstieg der Drehzahl gleichbedeutend. Nachteilig ist hierbei jedoch die Tatsache, dass mit der schnellen Zunahme der Drehzahl starke Drehzahlschwankungen einhergehen, welche als Schwingungen oder als Rütteln im Fahrzeug wahrnehmbar sind. Um diesen Effekt zu verringern, kann mit einer Einstellung der Steuerzeiten auf „spät“ beziehungsweise – sofern das Einlassventil bereits vor dem unteren Totpunkt schließ – auf extrem „früh“, das heißt ebenfalls weit vom unteren Totpunkt entfernt, dafür gesorgt werden, dass weniger starke Drehmomentspitzen auf die Kurbelwelle einwirken, was als sanfterer Motoranlauf wahrgenommen wird. Nachteilig hierbei ist jedoch der langsamere Anstieg der Drehzahl, das heißt die längere Dauer des Motorstarts.
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Um dem beschriebenen Zielkonflikt effizient entgegenzuwirken, wird gemäß der Erfindung der Mechanismus zur Verstellung der Steuerzeiten während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine signifikant verstellt. In bevorzugter Ausgestaltung beginnt der Verstellvorgang im Zeitraum zwischen dem Schließen des Einlassventils und der ersten Zündung der Brennkraftmaschine. Abweichend hiervon kann der Verstellvorgang auch bereits vor dem Schließen des Einlassventils, nach dem Andrehen der Kurbelwelle, beginnen. In beiden Fällen unterscheidet sich, sofern die Steuerzeiten mittels eines Nockenwellenverstellers verstellt werden, die Phasenlage der Nockenwelle zum Zeitpunkt der ersten Zündung deutlich von der Phasenlage, welche zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils desselben Zylinders gegeben war.
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Besonders kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bei mehrzylindrigen, beispielsweise vierzylindrigen, Brennkraftmaschinen zum Tragen. Während des Zeitraums, in dem nacheinander in allen vier Zylindern die erste Zündung stattfindet, erfolgt eine signifikante Änderung der Steuerzeiten der Einlassventile, insbesondere mit einem Wechsel der Verstellrichtung. Der Übergang von der ersten Einstellposition der Steuerzeiten in die zweite Einstellposition der Steuerzeiten ist vorzugsweise innerhalb von zwei Arbeitszyklen nach der ersten Zündung der Brennkraftmaschine abgeschlossen. Durch die gezielte Variierung der Steuerzeiten während des Anlassvorgangs sind bei Motoren mit einer einzigen Einlassnockenwelle pro Zylinderbank Vorteile realisierbar, welche ansonsten nur bei Motoren mit zylinderselektiver Ventilsteuerung erreichbar sind.
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Besonders gut zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich elektromechanische Nockenwellenversteller. Insbesondere kann es sich hierbei um Nockenwellenversteller mit Dreiwellengetriebe handeln, wie prinzipiell zum Beispiel aus der
WO 2006/074734 A1 bekannt. Die Verstellung der Steuerzeiten der Brennkraftmaschine erfolgt dabei nicht notwendigerweise mit konstanter Verstellgeschwindigkeit. Vielmehr kann die Verstellung beispielsweise auch mit variierender Geschwindigkeit oder intermittierend erfolgen. Ebenso sind Wechsel der Verstellrichtung in beliebiger Anzahl während des Verstellvorgangs möglich. Unabhängig von der mechanischen Ausgestaltung des Verstellmechanismus und des Verstellmodus ist eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine während des Startvorgangs, insbesondere im Zeitraum zwischen der ersten und der vierten Zündung, vorzugsweise auf einen Öffnungswinkel von mindestens 3°, insbesondere auf einen Öffnungswinkel von mindestens 10°, beispielsweise einen Öffnungswinkel von mindestens 15°, eingestellt.
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Sofern die beiden voneinander unterscheidbaren Einstellpositionen der Steuerzeiten mit jeweils einer Phasenlage der Nockenwelle korrespondieren, beträgt der Differenzwinkel zwischen den als Phasenwinkel der Nockenwelle ausdrückbaren Einstellpositionen, die während des Motorstarts, vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl, zu verschiedenen Zeitpunkten eingenommen werden, vorzugsweise mindestens 10°, beispielsweise mindestens 20°, insbesondere mindestens 30°. Die genannten Winkelangaben beziehen sich jeweils auf die Winkellage der Kurbelwelle, wobei bei unterschiedlichen Einstellungen des Nockenwellenverstellers, eine jeweils spezifische Winkelstellung der Kurbelwelle mit dem Schließzeitpunkt des Einlassventils korrespondiert. Dies gilt sowohl für Varianten des Verfahrens, bei welchen während des Motorstarts nur eine Verstellung in eine Richtung erfolgt, als auch für Verfahrensvarianten, die eine Umkehr der Verstellrichtung während des Motorstarts vorsehen. Im letztgenannten Fall kann gemäß einer möglichen Verfahrensvariante eine Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle in beide Stellrichtungen um jeweils mindestens 10° Kurbelwellenwinkel innerhalb eines Zeitfensters erfolgen, welches von der Zündung des ersten Zylinders bis zur Zündung des letzten Zylinders dauert.
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Bei beiden Verfahrensvarianten, das heißt bei Verstellung mit gleichbleibender Verstellrichtung ebenso wie bei Verstellung mit wechselnder Verstellrichtung, wird vorzugsweise von einer Einstellung der Phasenlage der Einlassnockenwelle vor dem Motorstart auf „spät“ ausgegangen. In beiden Fällen kann hierbei vor der ersten Zündung der Brennkraftmaschine der Phasenwinkel der Nockenwelle entweder konstant sein oder innerhalb des Einstellbereichs „spät“ bereits Richtung „früh“ sinken. Die als erste Einstellposition bezeichnete späte Steuerzeit, welche zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils desjenigen Zylinders eingestellt ist, in dem die erste Zündung erfolgt – kurz: die Einlassventilschließzeit – entspricht vorzugsweise einem Kurbelwellenwinkel von mindestens 20°, beispielsweise mindestens 30°, insbesondere mindestens 45°, nach dem unteren Landungswechseltotpunkt der Brennkraftmaschine.
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Gemäß einer alternativen Verstellstrategie, welche ebenfalls eine signifikante Verstellung der Steuerzeiten der Brennkraftmaschine während der Startphase, vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl, umfasst, erfolgt die erste Zündung der Brennkraftmaschine, während die Einlassventilschließzeit auf „früh“ eingestellt ist. Mit dieser Einstellung wird eine hohe Füllung des Zylinders und damit ein hoher Energieeintrag und eine hohe initiale Beschleunigung der Kurbelwelle erreicht. Im weiteren Verlauf des Hochlaufens in Richtung Leerlaufdrehzahl, unmittelbar nach dem Schließen des ersten Einlassventils, werden die Steuerzeiten nach „spät“ verstellt, wobei der Verstellbereich einem Betrag von vorzugsweise mindestens 10°, beispielsweise mindestens 20°, insbesondere mindestens 30° Kurbelwellenwinkel entspricht.
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Jede der erläuterten Verstellstrategien drückt sich in einem weichen Motorstart aus, wobei dennoch schnell die Leerlaufdrehzahl erreicht wird. Die Brennkraftmaschine kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein. Besonders im Fall eines Dieselmotors kann ein Zweimassenschwungrad in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine integriert sein. Gemäß einer möglichen Verfahrensführung ist das Verfahren der Steuerzeitenverstellung nach Anspruch 1 abgeschlossen, bevor ein Resonanzbereich des Zweimassenschwungrads beim Anlassen der Brennkraftmaschine durchfahren ist. Der Resonanzbereich des Zweimassenschwungrads liegt deutlich unter der Leerlaufdrehzahl des Motors. Durch die Verstellung der Steuerzeiten während des Durchfahrens des Resonanzbereichs werden Schwingungsamplituden effizient gemindert.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Steuereinheit einer Brennkraftmaschine, welche zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgebildet ist.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 den Verlauf der Kurbelwellendrehzahl sowie mittels eines Nockenwellenverstellers vorgenommene Steuerzeiteneinstellungen einer Brennkraftmaschine während des Motorstarts,
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2 in einem Diagramm analog 1 eine weitere Variante der Verstellung von Steuerzeiten, nämlich Schließzeiten eines Einlassventils, einer Brennkraftmaschine während des Motorstarts.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In beiden Figuren ist in Abhängigkeit von der Zeit t die Drehzahl n der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, nämlich eines Vierzylinder-Hubkolbenmotors, sowie der Phasenwinkel φ einer Einlassnockenwelle desselben Motors in Relation zur Kurbelwelle dargestellt. Anstelle eines Vierzylindermotors kann es sich bei der Brennkraftmaschine auch um einen Motor mit einer höheren oder geringeren Anzahl an Zylindern handeln.
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Die Zeitpunkte, zu denen beim Startvorgang jeweils die erste Zündung in den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine erfolgt, sind mit T1 bis T4 bezeichnet. Mittels eines elektrischen Nockenwellenverstellers ist eine Einlassnockenwelle der Brennkraftmaschine zwischen zwei Extremeinstellungen, nämlich der Spät-Einstellung S und der Früh-Einstellung F, verstellbar. Eine erste Einstellposition EF liegt nahe der Extremeinstellung F, eine zweite Einstellposition ES nahe der Extremeinstellung S. Der zur Verstellung verwendete elektromechanische Nockenwellenversteller ist als Versteller mit Drei-Wellen-Getriebe, beispielsweise Wellgetriebe oder Taumelscheibengetriebe, ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist die Nockenwelle vor dem Motorstart auf ES eingestellt. Diese Einstellung bleibt bis kurz vor dem Zeitpunkt T1, zu welchem im ersten Zylinder eine Zündung erfolgt, unverändert. Kurz vor dem Zeitpunkt T1, nach dem Schließen des Einlassventils des entsprechenden Zylinders, wird der Phasenwinkel φ kontinuierlich in Richtung F verstellt, bis er die Einstellposition EF erreicht hat. Die zweite Einstellposition EF ist bereits erreicht, bevor zum Zeitpunkt T2 im zweiten Zylinder der Brennkraftmaschine die erste Zündung erfolgt. Auch während im dritten Zylinder zum Zeitpunkt T3 zum ersten Mal eine Zündung während des Motorstarts erfolgt, ist die Nockenwelle noch auf EF eingestellt. Die beiden Zündungen zu den Zeitpunkten T2 und T3 sorgen jeweils für einen hohen Energieeintrag in den jeweiligen Zylinder und damit für einen raschen Anstieg der Drehzahl n der Brennkraftmaschine.
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Zwischen dem Zeitpunkt T3 und dem Zeitpunkt T4, zu welchem im letzten der vier Zylinder der Brennkraftmaschine die erste Zündung während des Startvorgangs erfolgt, wird die Nockenwelle zurück in Richtung „spät“ verstellt, wobei bereits zum Zeitpunkt T4 die Position S eingenommen ist. Die Kurbelwelle hat dabei bereits eine Drehzahl n erreicht, bei welcher ein weiterer, sanfter Hochlauf in Richtung Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine mit später Nockenwelleneinstellung erfolgen kann. Durch den zweifachen Wechsel der Verstellrichtung des Nockenwellenverstellers wird insgesamt sowohl ein rasches als auch ein vibrationsarmes Anspringen der Brennkraftmaschine erreicht.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 im Wesentlichen dadurch, dass während der Startphase der Brennkraftmaschine die Nockenwelle, nämlich Einlassnockenwelle, soweit überhaupt eine Verstellung erfolgt, stets in derselben Richtung verstellt wird. Wie im Ausführungsbeispiel nach 1 sind auch hierbei Zündvorgänge gegeben, bei welchen die Einlassventilschließzeit des betreffenden Zylinders auf „spät“ eingestellt ist, sowie weitere Zündvorgänge, bei welchen der betreffende Zylinder mit einer frühen Schließzeit des Einlassventils oder der Einlassventile betrieben wird.
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Ausgangspunkt des Verfahrens gemäß 2 ist eine Einstellung der Einlassnockenwelle auf extrem „spät“, das heißt auf die Extremposition S. Während der Schleppphase, vor der ersten Zündung des Motors, ist hierdurch die zu leistende mechanische Arbeit minimiert. Zum Zeitpunkt T1, das heißt bei der ersten Zündung während des Startvorgangs, ist die Einlassnockenwelle auf die Position ES eingestellt. Diese Einstellung auf „spät“ bleibt während mehrerer Umdrehungen der Kurbelwelle beibehalten, bis sie in Richtung „früh“ geändert wird, wobei die Einstellposition EF erst nach dem Zeitpunkt T4, jedoch bereits vor dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erreicht ist.
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In beiden Ausführungsbeispielen beträgt die Differenz zwischen der späten Einstellposition ES und der frühen Einstellposition EF mindestens 20° Kurbelwellenwinkel. Die Drosselklappe des Verbrennungsmotors ist im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T1 und T4 mindestens 3°, insbesondere mindestens 10°, beispielsweise mindestens 15°, geöffnet. Die Verfahren gemäß 1 sowie 2. können insbesondere beim automatischen Anlassen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs im Rahmen eines Start-Stopp-Systems zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- φ
- Phasenwinkel
- EF
- erste Einstellposition
- ES
- zweite Einstellposition
- F
- Extremeinstellung „Früh“
- n
- Drehzahl
- S
- Extremeinstellung „Spät“
- t
- Zeit
- T1
- Zeitpunkt
- T2
- Zeitpunkt
- T3
- Zeitpunkt
- T4
- Zeitpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008015152 A1 [0002]
- DE 102008039007 A1 [0003]
- DE 102008039008 A1 [0003]
- WO 2006/074734 A1 [0012]
