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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein einspuriges Kraftfahrzeug, wobei mit dem Verfahren insbesondere auf einen Stellwinkel einer Drosselklappe in einem Ansaugrohr eingewirkt werden kann.
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Es sind Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen über eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe unabhängig von einem Fahrerwunsch eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden kann. Beispielsweise ist dies bei sogenannten EGAS-Systemen der Fall. In solchen Systemen wird die Drosselklappe nicht über einen Seilzug, der unmittelbar mit einem Gaspedal verbunden ist, gesteuert. Vielmehr wird die Betätigung des Gaspedals elektronisch ermittelt und über einen Stelltrieb die Drosselklappe entsprechend gesteuert. Dabei kann per elektronischem Eingriff die Stellung der Drosselklappe nicht nur gemäß dem Fahrerwunsch, sondern auch unter Berücksichtigung weiterer Einflussfaktoren eingestellt werden.
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Weiterhin ist es bekannt, die Füllmenge, d.h. die Menge an Luft (und ggf. auch Kraftstoff), die in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine anzusaugen ist, elektronisch zu steuern. Dabei wird eine benötigte Füllmenge z.B. entsprechend einer momentan geforderten Leistung der Verbrennungskraftmaschine berechnet. In diese Berechnung können Faktoren wie der Fahrerwunsch sowie weitere Faktoren (Umgebungsluftdruck, vorliegende Drehzahl, Parameter des zu verbrennenden Kraftstoffes etc.) einfließen.
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Bei bekannten Systemen ist das Problem bekannt, dass sich zwischen dem Zeitpunkt der Berechnung der Füllmenge und dem Ende des tatsächlichen Ansaugvorgangs die Bedingungen und Umstände derart ändern können, dass die verwendete Füllmenge nicht mehr den dann vorliegenden Bedingungen entspricht. So kann die Abweichung zwischen berechneter Füllmenge und tatsächlich benötigter Füllmenge sogar dem Unterschied zwischen minimal und maximal möglicher Füllmenge entsprechen. Eine zu große Füllmenge kann aufgrund von zusätzlich zu leistender Kompressionsarbeit zu einem erheblichen Drehzahlabfall bis hin zu einem Ausgehen der Verbrennungskraftmaschine führen. Insbesondere ist in solchen Situationen auch die Einstellung eines abgasoptimierten Kraftstoff-Luft-Gemischs regelmäßig nicht möglich. Im Stand der Technik gibt es Ansätze, dies über aufwendige digitale Motorelektronik zu lösen. Dem sind allerdings Grenzen gesetzt. So ist die Zeit für die Berechnung und für die Ausgabe und den Transport des Kraftstoffs zu berücksichtigen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme weiterhin zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll ein Verfahren vorgestellt werden, mit dem dies möglich ist und welches es insbesondere ermöglicht, ein Absinken der Motordrehzahl und insbesondere ein Ausgehen der Verbrennungskraftmaschine in Folge derartiger Effekte zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine umfassend zumindest eine Kurbelwelle und mindestens ein Ansaugrohr mit einer Drosselklappe umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Ansaugen von Luft über das Ansaugrohr für die Dauer eines Ansaugtaktes der Verbrennungskraftmaschine,
- b) Ermitteln eines Kurbelwellenwinkels der Kurbelwelle,
- c) Eingreifen in einen Stellwinkel der Drosselklappe zumindest für die Dauer eines Endzeitraums des Ansaugtaktes, wobei über den Kurbelwellenwinkel bestimmt wird, wann der Endzeitraum des Ansaugtaktes beginnt.
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Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um einen Motor für ein einspuriges Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Motorrad. Es kann sich bei der Verbrennungskraftmaschine z.B. aber auch um eine solche für ein Automobil, ein Flugzeug oder ein Schiff handeln. Die Kurbelwelle ist vorzugsweise über Pleuel mit einem oder mehreren Zylindern verbunden. Dabei dient die Kurbelwelle der Übertragung von Kraft von den Zylindern. Eine lineare Bewegung der Zylinder mit wechselnder Richtung wird mittels der Kurbelwelle (und der Pleuel) in eine kontinuierliche Drehbewegung umgesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um eine im Viertaktbetrieb betriebene Verbrennungskraftmaschine.
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Die Verbrennungskraftmaschine und insbesondere deren Zylinder werden über das mindestens eine Ansaugrohr mit Luft versorgt. Dazu ist das mindestens eine Ansaugrohr so ausgeführt, dass an einem Ende des Ansaugrohrs Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs einströmen kann. An dem anderen Ende des Ansaugrohrs sind die Zylinder bzw. die Einlassventile der Zylinder angebunden. Über die Drosselklappe kann eine Luftströmung in dem Ansaugrohr geregelt werden. Vorzugsweise ist die Drosselklappe derart ausgeführt, dass in einer offenen Stellung der Drosselklappe (hier als Stellwinkel von 90° definiert) der gesamte Querschnitt des Ansaugrohrs freigegeben ist, und dass in einer geschlossenen Stellung der Drosselklappe (hier 0°) keine Luft durch das Ansaugrohr gelangen kann.
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Die Verfahrensschritte a) bis c) werden vorzugsweise zumindest teilweise zeitgleich ausgeführt.
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Der Ansaugtakt der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Ansaugtakt eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine ist ein Zeitraum, in dem ein Einlassventil des jeweiligen Zylinders geöffnet ist, sodass Luft in die Zylinder gesaugt werden kann. Während des Ansaugtaktes vergrößert sich das Volumen des Zylinders aufgrund einer entsprechenden Bewegung des Pleuels und der Kurbelwelle.
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Die während des Ansaugtaktes in die Verbrennungskraftmaschine gesaugte Luft kann in Ausführungsvarianten im Ansaugtakt mit Kraftstoff versetzt worden sein, in dem Kraftstoff in das Ansaugrohr eingespritzt wurde. Man spricht hier von „Saugrohreinspritzung“. Es ist auch möglich, dass die Luft ohne Kraftstoff in den Zylinder gesaugt wird und Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Man spricht bei solchen Ausführungsvarianten von „Direkteinspritzung“.
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Schritt b) wird vorzugsweise während des gesamten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Das Ermitteln des Kurbelwellenwinkels kann über eine Messvorrichtung an der Kurbelwelle erfolgen. Dabei wird das Vorliegen der verschiedenen Takte der Verbrennungskraftmaschine (Arbeitstakt, Ausstoßtakt, Ansaugtakt, Verdichtungstakt) vorzugsweise über den Kurbelwellenwinkel detektiert. Eine Detektion der genannten einzelnen Takte über den Kurbelwellenwinkel ist besonders genau.
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Der Stellwinkel der Drosselklappe wird in Schritt c) zumindest für die Dauer des Endzeitraums des Ansaugtakts verändert. Vorzugsweise umfasst der Endzeitraum des Ansaugtakts die letzten 60 % der zeitlichen Dauer eines Ventilhubs der Einlassventile (d.h. der Dauer, die die Einlassventile zum Schließen benötigen), besonders bevorzugt die letzten 50 % dieses Zeitraums.
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Das Eingreifen in den Stellwinkel der Drosselklappe gemäß Schritt c) erfolgt vorzugsweise über eine elektronische Steuerung. Alternativ kann das Eingreifen aber auch mechanisch realisiert werden, z.B. mittels einer Nockenwelle. Unter dem Begriff „Eingreifen“ ist hier jede bewusst hergestellte Abweichung von einer ansonsten vorliegenden Stellung der Drosselklappe zu verstehen. Die Drosselklappe ist während eines Ansaugtaktes normalerweise frei beweglich, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand für in die Verbrennungskraftmaschine bzw. in die Zylinder einströmende Luft zu bilden und damit möglichst geringe Energieverluste zu erreichen. Unter einem „Eingreifen“ ist hier insbesondere auch zu verstehen, dass eine solche freie Beweglichkeit der Drosselklappe zeitweise eingeschränkt wird, beispielsweise indem die Drosselklappe für einen Endzeitraum festgestellt oder arretiert wird.
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Durch dieses Eingreifen kann erreicht werden, dass insbesondere kurz vor Schließen der Einlassventile der Zylinder weniger Luft (und ggf. auch weniger Kraftstoff) in den Zylinder eingesaugt wird. In diesem kritischen Zeitraum des Ansaugtakts kommt es in den Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen gemäß Stand der Technik oft zu einem Ansaugen einer zu großen Luftmenge. Eine zu große Füllmenge kann zu den oben geschilderten Problemen wie der Reduktion der Drehzahl führen. Durch die Reduktion der Füllmenge kann ein Ausgehen der Verbrennungskraftmaschine verhindert werden. Außerdem kann ein Schadstoffausstoß, insbesondere ein Ausstoß von CO2 reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist das beschriebene Verfahren in Leerlaufbetriebszuständen einer Verbrennungskraftmaschine einsetzbar. Durch die Verwendung des Verfahrens in Leerlaufbetriebszuständen sind insbesondere besonders niedrige Leerlaufdrehzahlen möglich. Überraschenderweise lässt sich das Problem der Drehzahlreduktion bzw. des Ausgehens der Verbrennungskraftmaschine durch diese beschriebene Drosselung im Endzeitraum eines Ansaugtaktes lösen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt c) der Stellwinkel konstant auf dem Wert gehalten, der zu Beginn des Endzeitraums des Ansaugtakts vorlag.
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In dieser Ausführungsform geschieht das Eingreifen gemäß Schritt c) derart, dass mögliche Änderungen des Stellwinkels der Drosselklappe für die Dauer des Endzeitraums des Ansaugtakts unterdrückt werden. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Vergrößern des Stellwinkels der Drosselklappe durch ein beschriebenes Eingreifen in diesem Zeitraum unterdrückt wird. Ist es beispielsweise Wunsch des Fahrers, die Drehzahl zu erhöhen, so würde dies üblicherweise zu einem Vergrößern des Stellwinkels der Drosselklappe führen. Zumindest für die Dauer des Endzeitraums des Ansaugtakts wird dies vorliegend unterdrückt. Damit kann insbesondere vermieden werden, dass, wie oben beschrieben, eine zu große Füllmenge in die Brennräume gelangt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Drosselklappe vor Erreichen des Endzeitraums des Ansaugtakts auf einen Stellwinkel eingestellt, der einen geringeren Luftdurchsatz ermöglicht als ein Vergleichsstellwinkel, der bei Nichtanwendung dieses Verfahrens vorliegen würde. Insbesondere wird ein kleinerer Stellwinkel der Drosselklappe eingestellt als der Stellwinkel, der bei Nichtanwendung dieses Verfahrens vorliegen würde.
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Der Vergleichsstellwinkel ist definiert als der Stellwinkel der Drosselklappe, der unter Berücksichtigung sämtlicher in der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine und bei dem jeweiligen Verfahren zu deren Betrieb verwendeten Einflussfaktoren berechnet oder auf sonstige Weise ermittelt wird. Vorzugsweise wird der Stellwinkel der Drosselklappe beim Erreichen des Endzeitraums des Ansaugtakts verringert. Dadurch wird vorzugsweise der Luftdurchsatz durch das Ansaugrohr verringert. Es ist bevorzugt, dass der Stellwinkel um zumindest 10 %, insbesondere um zumindest 20 % verringert wird.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Stellwinkel der Drosselklappe auf einen Maximalwert begrenzt wird, der unabhängig von einem Fahrerwunsch oder vergleichbaren Einflüssen ist (d.h. insbesondere von einem angeforderten Stellwinkel, der hier als der Vergleichsstellwinkel eingeführt wurde). Das beschriebene Verfahren kann bevorzugt auch im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine aktiv sein, wobei der Stellwinkel vorzugsweise entsprechend begrenzt wird. Beispielsweise kann der Stellwinkel derart begrenzt werden, dass das Ansaugrohr nur zu maximal 1 % für Luft durchströmbar ist (im Vergleich zu 100 % bei vollständig geöffneter Drosselklappe), was der Leerlaufstellung entsprechen kann. Der Stellwinkel beträgt in dem Fall etwa 1° (d.h. die Drosselklappe ist fast vollständig geschlossen). Vorzugsweise liegt der maximale Stellwinkel zwischen 0,5 und 5°, insbesondere zwischen 1 und 2°.
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Durch die Verringerung des Stellwinkels bereits beim Erreichen des Endzeitraums des Ansaugtakts kann der oben beschriebene Effekt verstärkt werden, dass in der kritischen Phase kurz vor Schließen der Einlassventile nicht zu viel Luft (insbesondere solche, die nicht mit Kraftstoff vermischt ist) in die Brennräume gelangt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Stellwinkel der Drosselklappe zumindest in Schritt c) elektronisch gesteuert.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Stellwinkel der Drosselklappe während des gesamten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine elektronisch gesteuert wird. Es ist aber auch möglich, dass z.B. auf eine ansonsten mechanisch gesteuerte Drosselklappe zusätzlich elektronisch gemäß dem beschriebenen Verfahren eingewirkt wird.
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Der Eingriff, der in Schritt c) durchgeführt wird, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er für jeden einzelnen Ansaugtakt des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine individuell durchgeführt wird. Ansonsten war es eher üblich, Eingriffe in die Stellung der Drosselklappe vorzunehmen, die unabhängig vom Ablauf der einzelnen Takte des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine für einen längeren Zeitraum auf die Stellung der Drosselklappe einwirken. Dies geschieht insbesondere mit dem Ziel, die Leistung bzw. das Drehmoment und/oder die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu regeln. Der hier beschriebene Eingriff, der in Schritt c) durchgeführt wird, hat weniger das Ziel Leistung, Drehmoment oder Drehzahl zu regeln, sondern dient vielmehr dem Ziel, die weiter oben beschriebenen Probleme durch ein übermäßiges Ansaugen von Luft am Ende eines Ansaugtaktes zu reduzieren.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine umfassend zumindest eine Kurbelwelle und ein Ansaugrohr mit einer Drosselklappe. Die Verbrennungskraftmaschine ist zum Betrieb nach einem Verfahren wie oben beschrieben eingerichtet.
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Die weiter vorne für das Verfahren beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf die beschriebene Verbrennungskraftmaschine anwendbar und übertragbar. Gleiches gilt für die im Folgenden für die Verbrennungskraftmaschine geschilderten besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale, die auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine weist das Ansaugrohr eine Länge von höchstens 25 cm auf.
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Die Länge des Ansaugrohrs erstreckt sich zwischen einer Öffnung des Ansaugrohrs zur Umgebung des Kraftfahrzeugs und einem Anschluss an einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere an einem Einlassventil des Zylinders. Weist die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen auf, so genügt es, wenn die genannte Bedingung für einen der Brennräume erfüllt ist. Bevorzugt ist allerdings, dass die genannte Bedingung für alle Brennräume der Verbrennungskraftmaschine erfüllt ist. Das bedeutet, dass zwischen der Umgebung und dem Anschluss bzw. dem Einlass eines jeden Zylinders eine Länge von höchstens 25 cm vorliegt.
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Durch ein besonders kurzes Ansaugrohr kann durch Verstellen des Stellwinkels der Drosselklappe besonders schnell die angesaugte Luftmenge variiert werden. Darüber hinaus sind Verluste durch die Reibung einer Luftströmung in dem Ansaugrohr reduziert. Es ist insbesondere bevorzugt, dass eine Länge des Teils des Ansaugrohres zwischen der Drosselklappe und dem Einlassventil bzw. den Einlassventilen sogar höchstens 15 cm beträgt. Zum Passieren dieser geringen Distanz zwischen Drosselklappe und Einlassventil benötigt die angesaugte Luft nur eine entsprechend geringe Zeit, sodass eine Veränderung des Stellwinkels der Drosselklappe sich schnell bis in die Brennräume fortsetzt. Daher hat ein derart kurzes Ansaugrohr nur eine geringe Fähigkeit, Schwankungen einer Luftströmung zu puffern. Aus diesem Grund ist das beschriebene Verfahren besonders effizient einzusetzen, wenn ein verhältnismäßig kurzes Ansaugrohr, bevorzugt mit einer Länge von weniger als 25 cm, vorliegt.
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Ein kurzes Ansaugrohr kann zudem besonders bei hoher Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine von Vorteil sein. Dies liegt vor allem daran, dass bei einem besonders kurzen Ansaugrohr Strömungsverluste beim Ansaugen von Luft besonders gering sind. Die Position der Drosselklappe im Ansaugrohr kann beeinflussen, wie schnell die Verbrennungskraftmaschine auf eine Änderung des Stellwinkels der Drosselklappe reagieren kann. Hinzukommen können vorteilhafte thermodynamische Effekte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Verbrennungskraftmaschine weiterhin eine elektronische Stellvorrichtung für die Drosselklappe auf.
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Die elektronische Stellvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Elektromotor. Bevorzugt umfasst die elektronische Stellvorrichtung einen elektromagnetischen Aktor beliebiger Bauform. Dieser kann die Einstellung der Drosselklappe gemäß dem beschriebenen Verfahren ermöglichen. Vorzugsweise ist die elektronische Stellvorrichtung mit einer Steuerungseinheit verbunden. Dabei kann es sich z.B. um ein Motorsteuergerät handeln.
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Die Erfindung findet vorzugsweise Einsatz in einem einspurigen Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine wie beschrieben.
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Bei dem einspurigen Kraftfahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Motorrad. Eine häufig anzutreffende Besonderheit eines Motorrads stellen die besonders kurzen Ansaugrohre dar. Gerade Motoren von Motorrädern sind besonders anfällig für die oben beschriebenen Probleme
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine,
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2: eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stellwinkels der Drosselklappe.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 2. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist einen Zylinder 3 auf, der mit einer Kurbelwelle 4 verbunden ist. Über eine Winkelmesseinrichtung 5 kann ein Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 4 bestimmt werden. Der Zylinder 3 ist an ein Ansaugrohr 6 angebunden. Das Ansaugrohr 6 hat eine Länge 7. Das Ansaugrohr 6 weist eine Drosselklappe 8 auf, die einen Stellwinkel 9 hat. Die Drosselklappe 8 kann über eine elektronische Stellvorrichtung 10 gesteuert werden. Die elektronische Stellvorrichtung 10 ist an eine Steuerungseinheit 11 angeschlossen. Dies ist über die gepunktete Linie dargestellt.
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2 ist ein Plot sowohl des Kurbelwellenwinkels ω als auch des Stellwinkels der Drosselklappe φ. 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf, des Stellwinkels der Drosselklappe φ während eines Taktes einer Verbrennungskraftmaschine, die sich gerade in einer Betriebsphase befindet, in der die Leistung der Verbrennungskraftmaschine erhöht wird. Aufgrund dieser Erhöhung der Leistung zeigt sich hier der ansteigende Verlauf des Steilwinkels der Drosselklappe φ. Die senkrechte Achse bildet nur einen relativ geringen Anteil der möglichen Stellwinkel der Drosselklappe φ ab. In einem hier nicht dargestellten anschließenden Takt wäre hier ein weiterer Anstieg des Verlaufs erkennbar. Die Kurve des Kurbelwellenwinkels ω ist mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet und bezieht sich auf die linke Hochachse. Der gerade Verlauf dieser Kurve zeigt, dass sich der Kurbelwellenwinkel ω mit der Zeit linear ändert. Deshalb kann der Kurbelwellenwinkel ω anstelle des Zeitparameters t zur Bestimmung der verschiedenen Takte der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden. Weiterhin eingezeichnet sind ein Arbeitstakt 14, ein Ausstoßtakt 15, ein Ansaugtakt 16 und ein Verdichtungstakt 17 der Verbrennungskraftmaschine. Die mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Kurve gibt den Stellwinkel der Drosselklappe φ an und bezieht sich auf die rechte Hochachse. Der gezeigte Verlauf ist beispielhaft. Insbesondere ist zu erkennen, dass der Stellwinkel der Drosselklappe φ in einem Endzeitraum 18 des Ansaugtakts 16 konstant gehalten wird. Dies geschieht durch Eingriff gemäß dem beschriebenen Verfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- einspuriges Kraftfahrzeug
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Kurbelwelle
- 5
- Winkelmesseinrichtung
- 6
- Ansaugrohr
- 7
- Länge
- 8
- Drosselklappe
- 9
- Stellwinkel
- 10
- elektronische Stellvorrichtung
- 11
- Steuerungseinheit
- 12
- Kurbelwellenwinkel ω
- 13
- Stellwinkel der Drosselklappe φ
- 14
- Arbeitstakt
- 15
- Ausstoßtakt
- 16
- Ansaugtakt
- 17
- Verdichtungstakt
- 18
- Endzeitraum des Ansaugtaktes
