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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung eines deaktivierten Zylinders in einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistung eine wesentliche Strategie zur Erhöhung des Wirkungsgrades. Die Laststeuerung erfolgt häufig mittels einer im Ansaugtrakt angeordneten Drossel. Durch Verstellen der Drossel kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drossel mehr oder weniger stark reduziert werden. Je mehr die Drossel geschlossen ist, desto weniger angesaugte Luft gelangt vor den Einlass in die Zylinder. Über den Druck der angesaugten Luft, auch Ladeluft genannt, kann auf diese Weise die Luftmasse und damit die Leistung der Brennkraftmaschine geregelt werden. Im Teillastbereich ist diese Art der Regelung jedoch nachteilig, da geringe Lasten eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt erfordert, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Der Kraftstoffverbrauch kann z. B. durch Deaktivieren eines oder mehrerer Zylinder reduziert werden. Der Wirkungsgrad im Teillastbereich kann hierdurch verbessert werden, da die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine die Belastung der anderen Zylinder erhöht. Dadurch muss die Drossel weiter geöffnet werden, da die in Betrieb befindlichen Zylinder bei erhöhter Belastung eine größere Luftmenge benötigen. Dadurch wird insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht.
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Neben den Vorteilen einer Deaktivierung einzelner Zylinder besteht allerdings der Nachteil, dass es bei einer Reaktivierung eines deaktivierten Zylinders zu einer Leistungsverzögerung kommt. Besonders bei einer schnellen Vollgasanforderung aus einem Niedriglastmodus heraus kann es zu einer Leistungsverzögerung kommen. Dieses Problem besteht auch bei einer Reihenanordnung von Zylindern.
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Es besteht damit die Aufgabe, deaktivierte Zylinder in einer Reihenbrennkraftmaschine bei einem Reaktivieren schnell an die optimale Leistung heranzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Zylindern mit jeweils mindestens einem Einlass- und Auslassventil, einem Ansaugtrakt mit einer Drossel sowie einer Steuerungseinrichtung, wobei mindestens einer der Zylinder in einem Betrieb mit verstellbarem Hubraum selektiv deaktivierbar ist und mindestens ein Zylinder deaktiviert sowie mindestens ein Zylinder aktiviert ist, und wobei der deaktivierte Zylinder in den Schritten
- – S1) Stellen einer Leistungsanforderung,
- – S2) Erteilen von Steuerbefehlen durch die Steuerungseinrichtung an, jeweils eine Einrichtung zum Variieren der Steuerzeiten und / oder des Hubes mindestens eines Einlassventiles sowie an die Drossel
- – S3) Maximales Öffnen der Drossel,
- – S4) Einstellen von Steuerzeiten und / oder Hub mindestens eines Einlassventils des deaktivierten Zylinders,
- – S5) Einstellen von verzögerten Steuerzeiten und / oder eines geringeren Hubes der Einlassventile der aktivierten Zylinder im Vergleich zu den Einlassventilen des deaktivierten Zylinders,
- – S6) Ansaugen von Ladeluft in den deaktivierten Zylinder,
- – S7) Verdichten und Zünden eines gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemischs im deaktivierten Zylinder, und
- – S8) Öffnen des Auslassventils des deaktivierten Zylinders
aktiviert wird, wobei die Steuerzeiten und der Hub der Einlassventile der Zylinder so gesteuert werden, dass die Einlassventile des deaktivierten Zylinders im Vergleich zu den Einlassventilen der aktivierten Zylinder frühere Steuerzeiten und / oder einen größeren Hub aufweisen, und die Einlassventile der aktivierten Zylinder im Vergleich zu dem deaktivierten Zylinder jeweils möglichst verzögerte Steuerzeiten und / oder einen möglichst geringen Ventilhub aufweisen.
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Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch ein Erhöhen des Einlassdrucks die thermodynamische Reaktion des zu reaktivierenden Zylinders verbessert wird und er schneller für eine Volllast zur Verfügung steht. Das Einschwingverhalten des zu reaktivierenden Zylinders wird damit verbessert, was sich besonders bei EcoBoost-Brennkraftmaschinen mit einem hohen Grad an Downsizing auswirkt. Dabei wird das Timing der Reaktivierung eines deaktivierten Zylinders so gewählt, dass eine hohe, bevorzugt eine maximale, Menge an Ladeluft für die Reaktivierung des zu aktivierenden Zylinders bereitgestellt wird. Dabei verbrauchen die aktiven Zylinder entsprechend der eingestellten Steuerzeiten und / oder des eingestellten Hubes der Hubventile der aktiven Zylinder weniger Ladeluft, wodurch mehr Ladeluft zum Aktivieren des deaktivierten Zylinders zur Verfügung steht. Damit steht zum Starten des deaktivierten Zylinders vorteilhafterweise ein hoher, idealerweise maximal hoher Ladedruck zur Verfügung. Das Timing wird durch einen dem Fachmann geläufigen Stellantrieb an einer Nockenwelle, bevorzugt einer Einlass-Nockenwelle, umgesetzt, der die Steuerzeiten der Einlassventile der Zylinder entsprechend der Steuerbefehle der Steuerungseinrichtung variiert. Der Stellantrieb ist herkömmlicherweise eine Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung. Der Hub kann mittels dem Fachmann bekannten Einrichtungen bzw. Methoden in Abhängigkeit von der Art der Einlassventile unterschiedlich eingestellt werden.
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Das Verfahren wird derart gesteuert, dass die Zeitpunkte des Öffnens der Einlassventile aller Zylinder, auch als Steuerzeiten bezeichnet, sowie der Hub der Einlassventile dem Reaktivieren des deaktivierten Zylinders angepasst werden.
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Dabei ist es zum Erreichen eines maximal hohen Ladedrucks bevorzugt, wenn die Steuerzeiten und / oder der Hub der Einlassventile sowohl der aktiven Zylinder als auch des deaktivierten Zylinders angesteuert werden. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn die aktivierten und der deaktivierte Zylinder synchron angesteuert werden, mit anderen Worten die Steuerung der Einlassventile also gekoppelt ist.
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Das Steuern der Drossel erfolgt in dem Verfahren entsprechend eines Steuerbefehls, nach dem die Drossel zu einem bestimmten Grad geöffnet oder geschlossen wird. Dies kann beispielsweise mittels eines elektrischen Stellmotors durchgeführt werden. Alternativ kann das System auch keine Drossel aufweisen; in diesem Fall entfällt Schritt S3.
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Vorzugsweise wird das Verfahren bei Brennkraftmaschinen durchgeführt, in denen zur Kraftstoffversorgung der Zylinder eine Direkteinspritzung vorgesehen ist. Das Verfahren wird weiterhin bevorzugt bei Brennkraftmaschinen durchgeführt, bei denen drei Zylinder vorhanden sind. Dabei wird bevorzugt der in der mittleren Position der Zylinderanordnung angeordnete Zylinder deaktiviert und aktiviert.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der deaktivierte Zylinder aus einem Niedriglastmodus heraus für eine Vollgasanforderung aktiviert wird. Dabei wird mit dem Verfahren besonders vorteilhaft eine große Menge an Ladeluft bereitgestellt, die der deaktivierte Zylinder benötigt, um schnell die benötigte Leistung zu liefern.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, zum Aktivieren mindestens eines deaktivierten Zylinders in einer Reihe von mindestens zwei Zylindern einer Brennkraftmaschine die Steuerzeiten und den Hub von Einlassventilen der Zylinder so zu steuern, dass die Einlassventile des deaktivierten Zylinders im Vergleich zu den Einlassventilen des aktivierten Zylinders frühere Steuerzeiten und / oder einen größeren Hub aufweisen, und die Einlassventile des aktivierten Zylinders im Vergleich zu dem deaktivierten Zylinder jeweils möglichst verzögerte Steuerzeiten und / oder einen möglichst geringen Ventilhub aufweisen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems entsprechen dabei denen des Verfahrens. Besonders vorteilhaft ist das System geeignet, einen maximal hohen Ladedruck zum Starten des deaktivierten Zylinders zur Verfügung zu stellen.
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Vorzugsweise weist die Reihe von Zylindern der Brennkraftmaschine in dem erfindungsgemäßen System drei Zylinder auf. Dabei ist vorzugsweise der in der mittleren Position der Zylinderanordnung angeordnete Zylinder zum Abschalten und Aktivieren vorgesehen.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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2 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Ventilhub und Druckveränderung im Zylinder in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf.
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4a eine graphische Darstellung der Beschleunigung in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf.
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4b eine graphische Darstellung der Ableitung der Beschleunigung in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf.
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Das erfindungsgemäße System 1 umfasst in der Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 eine Steuerungseinrichtung 2 und eine Brennkraftmaschine 3 mit drei Zylindern 4, wobei die Zylinder jeweils ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 aufweisen. Alternativ kann die Brennkraftmaschine 3 auch weniger oder mehr als drei Zylinder 4 aufweisen; weiterhin können die Zylinder 4 auch mehr Ventile aufweisen, z. B. mit jeweils zwei Einlassventilen 5 und zwei Auslassventilen 6 vier pro Zylinder 4. Über einen Ansaugtrakt 7, in welchem eine Drossel 8 angeordnet ist, wird Ladeluft in den Ladeluftsammelbehälter 9 transportiert, aus dem die Ladeluft über die Einlassventile 5 in die Brennräume der Zylinder 4 gelangt. Optional ist ein Turbolader im System 1 vorhanden, dessen Turbine die kinetische Energie des Abgasstroms nutzt um einen Verdichter anzutreiben, der verdichtete Ladeluft bereitstellt (nicht gezeigt). Von einem Abgassammelbehälter 10 aus wird Abgas über einen Abgastrakt 11 abgeleitet. Die Nummerierung der Zylinder 4 erfolgt entsprechend ihrer Reihenfolge, so dass in einer reihenförmigen Anordnung von drei Zylindern 4 der mittlere als zweiter Zylinder 4b bezeichnet wird, und die äußeren Zylinder als erster 4a und zweiter Zylinder 4c.
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Die Einlassventile 5 und die Auslassventile 6 stehen jeweils mit einer Einlassnockenwelle 12 bzw. einer Auslassnockenwelle 13 in Wirkverbindung. Die Einlassnockenwelle 12 steht wiederum mit einem Stellantrieb 14 in Wirkverbindung, um eine Einstellung verschiedener Steuerzeiten der Einlassventile 5 in Abhängigkeit von der Motorlast oder einer Leistungsanforderung bewirken zu können. Der Stellantrieb ist bevorzugt eine Vorrichtung für eine variable Ventilsteuerung 14, und besonders bevorzugt ein Phasenversteller 14. Zusätzlich kann auch die Auslassnockenwelle 13 mit einer Vorrichtung für eine variable Ventilsteuerung in Wirkverbindung stehen. Dabei ist dem Fachmann bekannt, wie eine Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung funktioniert. Die Vorrichtung zur variablen Ventilsteuerung funktioniert vorzugsweise über hydraulische Aktuatoren, aber beispielsweise auch elektrische Aktuatoren, die auch als Phasenversteller bezeichnet werden. Das Steuern erfolgt in Abhängigkeit von der Motorlast oder gemäß erteilten Steuerungsbefehlen.
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Der Hub der Hubventile kann in Abhängigkeit von der Art des Ventils auf verschiedene Weise variiert werden, die dem Fachmann jeweils geläufig ist.
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Der Stellantrieb 14 an der Nockenwelle 12 ist mittels einer Signalleitung 15 mit der Steuerungseinrichtung 2 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 2 ist weiterhin mit der Drossel 8 verbunden, um deren Öffnung entsprechend der notwendigen Ladeluftmenge zu steuern. Zum Bereitstellen einer maximal möglichen Menge an Ladeluft soll die Drossel dabei möglichst vollständig geöffnet sein. Die Steuerungseinrichtung 2 ist weiterhin mit den Ventilen bzw. Einrichtungen zum Variieren des Ventilhubs verbunden, um den Ventilhub besonders der Einlassventile 5 der einzelnen Zylinder 4 entsprechend den Anforderungen zu variieren. Die Steuerungseinrichtung 2 ist weiterhin ausgebildet, Steuerbefehle weiterzuleiten, die beispielsweise vom Fahrer des Fahrzeugs kommen und in einer bestimmten Leistungsanforderung bestehen, z. B. eine Vollgasanforderung. Weiterhin steht die Steuerungseinrichtung 2 mit einer Regeleinheit in Verbindung (nicht gezeigt), die mittels einer Reihe von Sensoren Informationen über den Fahrzeugstatus ermittelt, diese auswertet und Werte an die Steuerungseinrichtung 2 übermittelt, die entsprechende Steuerbefehle an die Drossel 8 und/oder den Stellantrieb 14 der Einlass-Nockenwellen 12 und/oder die Einlassventile 5 übermittelt, um die Leistung der Brennkraftmaschine 3 an die Fahrsituation anzupassen.
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In einem Betrieb bei niedriger Lastanforderung ist der zweite Zylinder 4b deaktiviert. Um den deaktivierten Zylinder 4b bei einer Lastanforderung, besonders einer Vollgasanforderung, möglichst schnell zu reaktivieren, während sich in die Brennkraftmaschine 3 im Zweizylindermodus mit zwei aktiven Zylindern 4a, 4c befindet, und damit in den Dreizylindermodus zu führen, wird entsprechend der Darstellung gemäß 2 in einem ersten Schritt S1 eine Vollgasanforderung durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs erteilt. In einem zweiten Schritt S2 werden durch die Steuerungseinrichtung 2 Steuerbefehle an den Stellantrieb 14 der Einlass-Nockenwelle 12 sowie an die Drossel 8 übermittelt. In einem dritten Schritt S3 wird die Drossel 8 entsprechend des Steuerbefehls geöffnet, vorzugsweise maximal, soweit sie nicht bereits geöffnet ist. In einem vierten Schritt S4 nimmt der Stellantrieb 14 entsprechend des Steuerbefehls eine Position ein, die für den zu reaktivierenden Zylinder 4b die Bereitstellung einer hohen, vorzugsweise maximalen, Ladeluftmenge ermöglicht. Dabei kann die Steuerzeit für das Einlassventil 5 des zu reaktivierenden Zylinders 4b so eingestellt sein, wie sie bei einem gleichzeitigen Öffnen der Einlassventile 5 aller Zylinder 4 in einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine sein würde. Die Steuerzeit für das Einlassventil 5 des zu reaktivierenden zweiten Zylinders 4b kann aber im Vergleich zum besagten normalen Betrieb auch auf früh verstellt sein, so dass das Einlassventil 5 des zu reaktivierenden zweiten Zylinders 4b vergleichsweise früher geöffnet wird.
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In einem fünften Schritt S5, der gleichzeitig mit dem Schritt S4 erfolgen kann, werden die Steuerzeiten der Einlassventile 5 der aktivierten Zylinder 4a, 4c im Vergleich zu den Steuerzeiten der Einlassventile des deaktivierten Zylinders 4b verzögert, d.h. auf spät verstellt. Dadurch weisen die Einlassventile 5 des deaktivierten Zylinders 4b im Vergleich zu den Einlassventilen 5 der aktivierten Zylinder 4a, 4c frühere Steuerzeiten auf, und die Einlassventile 5 der aktivierten Zylinder 4a, 4c weisen im Vergleich zu dem deaktivierten Zylinder 4b möglichst verzögerte Steuerzeiten auf. Neben dem Verstellen der Steuerzeiten kann auch der Ventilhub der Einlassventile 5 variiert werden, wobei der Ventilhub des deaktivierten, zu aktivierenden Zylinders 4b möglichst groß im Vergleich zum Hub der aktiven Zylinders 4a, 4c eingestellt wird und umgekehrt der Ventilhub der aktiven Zylinder 4a, 4c auf möglichst gering gegenüber dem des deaktivierten Zylinders 4b. In einem sechsten Schritt S6 wird das Einlassventil 5 des deaktivierten Zylinders 4b durch die phasenverstellten Nocken des Stellantriebs geöffnet und Ladeluft angesaugt. In einem siebten Schritt S7 wird das gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem deaktivierten Zylinder 4b verdichtet und gezündet. In einem achten Schritt S8 wird mindestens ein Auslassventil 6 des deaktivierten Zylinders 4b geöffnet und Abgas ausgestoßen. Damit wurde der deaktivierte Zylinder 4b aktiviert, und die Brennkraftmaschine 3 befindet sich im Dreizylindermodus.
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In 3 ist das Reaktivieren eines abgeschalteten Zylinders anhand einer Auftragung von Einlassventilhub und Zylinderdruck (Ordinate) gegen die Zeit (Abszisse) dargestellt. Nach dem Öffnen der Drossel 8 in Schritt S3 (Linie 1) wird in Schritt S4 das Einlassventil 5 des zweiten, deaktivierten Zylinders 4b geöffnet und Ladeluft angesaugt (Linie 2). Nach Schließen des Einlassventils 5 wird Schritt S5 wird das gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und gezündet; der Druck im Zylinder wird erhöht (Linie 3). In Schritt S6 wird mindestens das Auslassventil 6 geöffnet und Abgas ausgestoßen (Linie 4). Linie 5 gibt den Druck im Ladeluftsammelbehälter 12 und Linie 6 den Druck im Abgassammelbehälter 13 an. Der Druck im Ladeluftsammelbehälter 12 steigt nach dem Öffnen der Drossel 8 und vor dem Öffnen des Einlassventils 5 des zweiten Zylinders an. Der Druck im Abgassammelbehälter 13 steigt jeweils nach dem Öffnen des Abgasventils 6 des zweiten Zylinders an, wozu aber auch das Abgas der anderen Zylinder beiträgt.
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Die große Ladeluftmenge bewirkt bei der Reaktivierung des abgeschalteten Zylinders einen Aufladeeffekt. In 4a ist durch Auftragen der Beschleunigung gegen die Zeit dargestellt, dass sich beim Übergang vom Zweizylinderin den Dreizylindermodus mit erhöhtem Ladeluftdruck für den zu reaktivierenden Zylinder höhere Beschleunigungswerte des Kraftfahrzeugs ergeben (fette Linie) als mit herkömmlichem Ladeluftdruck. Das geht auch aus der Auftragung der Ableitung der Beschleunigung gegen die Zeit hervor (4b).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Steuerungseinrichtung
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Zylinder
- 4a
- erster Zylinder
- 4b
- zweiter Zylinder
- 4c
- dritter Zylinder
- 5
- Einlassventil
- 6
- Auslassventil
- 7
- Ansaugtrakt
- 8
- Drossel
- 9
- Ladeluftsammelbehälter
- 10
- Abgassammelbehälter
- 11
- Abgastrakt
- 12
- Einlassnockenwelle
- 13
- Auslassnockenwelle
- 14
- Stellantrieb
- 15
- Signalleitung
