DE19526848A1 - Verfahren zur drosselfreien Laststeuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit variablen ansteuerbaren Gaswechselventilen - Google Patents

Verfahren zur drosselfreien Laststeuerung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit variablen ansteuerbaren Gaswechselventilen

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Description

Mehrzylindrige Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffein­ spritzung und mit variabel ansteuerbaren Gaswechselventilen können selbst bei ottomotorischen Brennverfahren ohne Dros­ selklappe auskommen. Die Laststeuerung wird bei solchen Motoren durch unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeit­ punkte der Gaswechselventile realisiert. Zur Betätigung der Ein- und Auslaßventile werden hierzu entsprechend mecha­ nisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betätigbare Aktua­ toren verwendet, durch die die Gaswechselventile zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Öffnungsstellung hin- und herbewegt werden, wobei durch eine entsprechende Ansteuerung Öffnungshub und/oder Öffnungszeit veränderbar sind. Im Nor­ malfall wird das betreffende Ventil wechselweise jeweils in der durch die Öffnungsstellung oder die Schließstellung vorgegebenen Ruhelage gehalten (Normalbetrieb).
Beispielsweise bei mechanischer Ansteuerung erfolgt dies durch Verdrehen der Steuernocken und/oder durch Veränderung der Steuerkontur. Bei elektromagnetisch betätigbaren Aktua­ toren, die jeweils aus einem auf das Ventil einwirkenden Magnetanker bestehen, der durch Federkräfte seine Ruheposi­ tion zwischen zwei Elektromagneten hat, erfolgt dies durch wechselweise Bestromung der Elektromagneten, so daß der Magnetanker wechselweise durch den oberen und den unteren Magneten angezogen und somit in der oberen bzw. unteren Ruhelage gehalten wird (Normalbetrieb). Dies entspricht dann der geschlossenen bzw. der geöffneten Position des Gaswechselventils. Zur Betätigung des Gaswechselventils, d. h., der Bewegung aus der geschlossenen in die geöffnete Position und umgekehrt wird jeweils der Haltestrom durch die Spule des haltenden Magneten abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Federkraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird die Bewegung des Ankers durch die Feder­ kraft der gegenüberliegenden Feder abgebremst. Um nun den Anker in der anderen Position zu fangen und zu halten, wird der Magnet, auf den sich der Anker zubewegt, bestromt. Auf­ grund der Eigenfrequenz des durch Anker und Federn gebilde­ ten Feder-Masse-Systems sowie der durch die endliche Abbau­ zeit des Magnetfeldes verursachten Klebzeit des Ankers an dem Magneten ergibt sich jedoch das Problem, daß bei hohen Drehzahlen die minimal erreichbaren Öffnungszeiten zu lang sind für einen Betrieb mit kleinen Lasten, also kleinen Motormomenten.
Zur Lösung des Problems sind unterschiedliche Lösungsmög­ lichkeiten vorgeschlagen worden. So wurde vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den entsprechend den Lastanforderungen frei ansteuerbaren Ventilen eine Drosselklappe vorgesehen wurde, die in den in Betracht kommenden Betriebsfällen ent­ sprechend angesteuert wurde. Dies bewirkt aber wieder eine Kostenerhöhung durch ein zusätzliches Bauteil.
Ein anderer Lösungsvorschlag bestand darin, die Kraftstoff­ zufuhr zu verringern, wobei entweder ein Magerbetrieb mit λ = 1 realisiert wird, oder aber durch eine zusätzliche Zufuhr von Restgas bei gleicher Zylinderfüllung ein klei­ nerer Anteil an Frischgemisch zur Verfügung steht. Auch diese Steuerungsmöglichkeit ist nur innerhalb gewisser Grenzen möglich.
Eine weitere Lösungsmöglichkeit bestand darin, daß die Aktuatoren der Gaswechselventile so angesteuert werden, daß das Gaswechselventil nicht vollständig öffnet. Diese Betriebsweise wird nachstehend als sogenannte Freiflug­ betriebsweise bezeichnet. Bei elektromagnetischen Aktuatoren wird diese Betriebsweise dadurch bewirkt, daß der Anker in Schließstellung des Gaswechselventils vom Magneten ge­ halten, während zum Öffnen des Gaswechselventils zunächst - wie vorstehend für die Normalbetriebsweise beschrieben - der Haltestrom abgeschaltet wird. Entgegen dem Verfahren der Normalbetriebsweise läßt man nun den Anker, ohne daß er auf der Gegenseite gefangen wird, durchschwingen. Hier­ durch läßt sich die Klebzeit des Ankers am Magneten auf der Öffnungsseite umgehen. Bei der Freiflugbetriebsweise ergibt sich allerdings das Problem, daß bestimmte Lastberei­ che nicht abzudecken sind. Dies ergibt sich aus dem zeitli­ chen Unterschied in der Größe der Klebzeit zwischen dem Freiflug- und der Normalbetriebsweise mit Fangen des Ankers auf der Öffnerseite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden mit steuerbaren Aktuatoren betätigten Gaswechselventile mögli­ chen Steuerverfahren in der Normalbetriebsweise und in der Freiflugbetriebsweise nicht abdeckbaren Lastbereiche ver­ fügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Kolbenbrenn­ kraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit Gaswech­ selventilen, die mit frei ansteuerbaren Aktuatoren verbunden sind, bei dem die Aktuatoren der einzelnen Zylinder in Abhän­ gigkeit von der durch den Betrieb vorgegebenen Lastanforde­ rung angesteuert werden und bei Unterschreiten einer Mindest­ lastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile wenig­ stens eines Zylinders weiterhin zumindest in Freiflugbetriebs­ weise angesteuert werden und die Aktuatoren der Gaswechselven­ tile der übrigen Zylinder wenigstens teilweise in Freiflugbe­ triebsweise und/ oder in Nullastbetriebsweise angesteuert werden. Durch diese Verfahrensweise ist es möglich, bei Unterschreiten bestimmter Lastanforderungen durch die unter­ schiedliche Ansteuerung einzelner Zylinder die jeweils bei der Normalbetriebsweise und der Freiflugbetriebsweise auftre­ tenden "Löcher" zu vermeiden. Je nach Zahl der Zylinder der zu steuernden Kolbenbrennkraftmaschine werden dann ein oder mehrere Zylinder bei Unterschreiten der Mindestlastan­ forderung die Aktuatoren der Gaswechselventile eines oder mehrerer Zylinder weiterhin in Normalbetriebsweise zumindest jedoch in Freiflugbetriebsweise angesteuert. Die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder werden dann ent­ sprechend wenigstens teilweise zumindest in der Freiflugbe­ triebsweise angesteuert. Hierbei besteht aber auch die Mög­ lichkeit, einen oder mehrere dieser übrigen Zylinder in der sogenannten Nullbetriebsweise anzusteuern. Das bedeutet, die Kraftstoffeinspritzung wird abgeschaltet und die zugehö­ rigen Gaswechselventile werden über den gesamten Takt-Zyklus der Regelphase entweder in Schließstellung oder in Offenstel­ lung gehalten, so daß nur ein Teil der Zylinder tatsächlich arbeitet.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist fer­ ner vorgesehen, daß im Bereich der Minderlastanforderung die Zylinder jeweils wechselnd in den unterschiedlichen Laststeuerverfahren angesteuert werden. Dies hat den Vor­ teil, daß die in Normalbetriebsweise angesteuerten Zylin­ der ständig wechseln, so daß die Brennkraftmaschine ins­ gesamt eine einheitlich Temperaturlage beibehält.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Minderlastanforderung das Zyklusraster der Arbeitstakte an wenigstens einem Zylinder geändert wird. Die Aktuatoren der einzelnen Gaswechselventile sind frei ansteuerbar. Daher ist es auch möglich, über eine entspre­ chende elektronische Steuereinrichtung, über die die Last­ anforderung angegeben und auch die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, entsprechend den Lastanforderungen beispiels­ weise einen 2-Takt-Zyklus für einen gewissen Zeitraum vorzu­ geben, oder den Zylinder für 2-Takte, also einen halben 4-Takt-Zyklus stillzulegen (Nullast), so daß sich ein 6- Takt-Verfahren ergibt. Statt durch Stillegung kann ein 6-Takt-Verfahren auch durch eine gezielte Ansteuerung der Aktuatoren für den oder die betreffenden Zylinder erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand von Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Ventilweg über der Zeit bei Normalbe­ triebsweise und bei Freiflugbetriebsweise,
Fig. 2 in Form eines Drehmomentenkennfeldes in Abhängigkeit von der Drehzahl die nicht abdeckbaren Betriebsbereiche,
Fig. 3 den Verlauf des Motormomentes in Abhängigkeit von der Lastvorgabe bei Normalbetriebsweise,
Fig. 4 den Verlauf des Motormomentes bei Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens.
Fig. 1 zeigt ein elektromagnetisch betätigbares Gaswechsel­ ventil, den Ventilweg in Abhängigkeit von der Zeit zwischen der geschlossenen und der geöffneten Ventilstellung. Die Kurve a) zeigt hierbei den Wegverlauf bei einer Normalbe­ triebsweise aus der geschlossenen Ventilstellung in die Öffnungsstellung und wieder zurück in die geschlossene Ven­ tilstellung. Nach dem Abschalten des Haltestroms und nach Ablauf der Klebzeit löst sich der Anker zum Zeitpunkt T₁ vom Schließmagneten des Aktuators und bewegt sich dann über die eingezeichnete Bahn auf den Öffnermagneten des Aktuators zu, wird von diesem zum Zeitpunkt T₂ eingefangen und ge­ halten.
Würde man nun unmittelbar nach dem Fangen des Ankers am Öffnermagneten den Haltestrom abschalten, dann würde der Anker über die Mindestklebzeit Tk bis zum Abbau des Mag­ netfeldes am Öffnermagneten gehalten, so daß der Anker erst zum Zeitpunkt T₃ sich wieder zurückbewegen würde und dann zum Zeitpunkt T₄ vom Schließmagneten gefangen und gehalten würde. Die Mindestöffnungszeit des Ventils bei Normalbe­ triebsweise wird somit durch die Mindestklebzeit Tk bestimmt, die aufgrund der baulichen und physikalischen Gegebenheiten nicht unterschritten werden kann.
In Fig. 1 ist in der Kurve b) der Bewegungsverlauf des Ven­ tiles in der sogenannten Freiflugbetriebsweise dargestellt. Auch hier löst sich zum Zeitpunkt T₁ nach Abschalten und nach Ablauf der Klebzeit der Anker vom haltenden Schließ­ magneten, so daß sich dieser in die Öffnungsstellung infolge der Federwirkung bewegen kann. Diese Bewegung kann noch unterstützt werden durch den Aufbau eines Magnetfeldes im Öffnermagneten. Die Bestromung des Öffnermagneten ist jedoch begrenzt, so daß der Anker nicht am Öffnermagneten zur An­ lage kommt und von diesem gehalten wird, sondern frei durch­ schwingt und sich wieder auf den Schließmagneten zurückbe­ wegt, an dem er zum Zeitpunkt T₅ zur Anlage kommt. Ähnliche Bewegungsabläufe ergeben sich beispielsweise für hydraulisch betätigbare Aktuatoren.
Überlagert man nun die Bewegungskurven a) und b) - wie dies in der Kurvendarstellung c) in Fig. 1 vorgenommen wurde - dann zeigt sich, daß hier der schraffierte Bereich 1 durch diese beiden Steuerverfahren nicht abgedeckt werden kann.
Fig. 2 zeigt nun schematisch ein Drehmomentenkennfeld, in dem die Auswirkung der anhand von Fig. 1 c) dargestellten und beschriebenen Einschränkungen dargestellt sind. Mit der Ansteuerung der Aktuatoren in Normalbetriebsweise (Fig. 1 a)) kann bei höheren Drehzahlen der Bereich kleine­ rer Motormomente nicht abgedeckt werden, da eine bestimmte minimale Öffnungszeit Tk nicht unterschritten werden kann. Hierdurch ergibt sich die Grenze 2 für den mit der Normal­ betriebsweise realisierbaren Bereich 3.
Der durch die Freiflugbetriebsweise abdeckbare Bereich 4 weist eine gewisse Breite auf. Durch Variationen der Lage des Freiflugs bezogen auf die Kurbelwinkelstellung sowie durch die Bestromung des Öffnungsmagneten ergeben sich hierbei gewisse Variationsmöglichkeiten. Zwischen dem Be­ reich 3 und dem Bereich 4 befindet sich jedoch ein nicht abdeckbarer Bereich 5. Ebenso befindet sich unterhalb des in der Freiflugbetriebsweise abdeckbaren Bereichs 4 ein nicht betreibbarer Bereich 6.
In Fig. 3 ist nun für eine vorgegebene Drehzahl der Verlauf des Motormomentes in Abhängigkeit von der Lastanforderung dargestellt. Im Bereich hoher Lasten folgt das Motormoment genau der Lastanforderung. Bei Unterschreiten einer bestimm­ ten Lastanforderung gibt es nur noch die Auswahlmöglichkeit in der Normalbetriebsweise mit mi­ nimaler Klebzeit Tk und dem zugehörigen Mindestdrehmoment MN (Bereich 7), der Freiflugbetriebsweise mit dem zugehö­ rigen Drehmoment MF (Bereich 8) oder der Nullast mit dem Drehmoment 0 (Bereich 9), der durch Halten des anzusteu­ ernden Gaswechselventiles in der geschlossenen oder geöff­ neten Position verwirklicht wird. Hierdurch ergibt sich eine Stufung des Momentes, die der Fahrer als störend empfindet.
In Fig. 4 ist die Abhilfe entsprechend dem erfindungsge­ mäßen Verfahren dargestellt, die durch die unterschied­ liche Ansteuerung der einzelnen Zylinder möglich ist. Als Beispiel ist hier ein Vierzylindermotor gewählt. Unter­ halb der Kurve 10 für das Gesamtmotormoment sind die Mo­ mente für die einzelnen Zylinder I bis IV dargestellt. Von hohen Lastwünschen herkommend wird bei Erreichen der in Normalbetriebsweise minimal möglichen Last MNmin ein Zylin­ der, beispielsweise der Zylinder I, weiter in Normalbetriebs­ weise angesteuert, während die restlichen drei Zylinder in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden. Hierdurch ergibt sich für den in Normalbetriebsweise angesteuerten Zylinder I eine höhere Lastanforderung, die auch bei weiterer Reduk­ tion des Lastwunsches problemlos realisierbar ist.
Sobald der Wert der Lastanforderung jedoch auf den Wert
sinkt (Punkt 11 der Gesamtmotormomentkurve), muß ein Teil der Zylinder ganz abgeschaltet werden. In Fig. 4 werden beispielsweise die Zylinder II bis IV komplett abgeschal­ tet und der verbleibende Zylinder I wird weiter in Normal­ betriebsweise angesteuert. Dies funktioniert bis zu einer Reduktion der Lastanforderung auf etwa 1/4 MNmin (Punkt 12 der Gesamtmotormomentkurve).
Bei kleineren Lastanforderungen setzt wiederum eine Stu­ fung ein, die durch Übergang der Ansteuerung in Normal­ betriebsweise auf eine Freiflugbetriebsweise bzw. den Übergang von Freiflugbetriebsweise auf Nullast des ver­ bleibenden Zylinders erfolgt. Durch einen unterschied­ lichen Betrieb der einzelnen Zylinder jeweils in Freiflug­ betriebsweise oder Nullastbetriebsweise kann eine sehr feine Stufung erreicht werden.
In Fig. 4 wurde wegen der besseren Verständlichkeit darauf verzichtet, die möglichen zusätzlichen Variationen durch die Änderung der zeitlichen Lage der Freiflugbetriebsweise darzustellen. Tatsächlich ergibt sich jedoch hierdurch die Möglichkeit, auch die letzten verbleibenden Abstufungen zumindest zu verringern oder gar zu beseitigen.
Auch ist es möglich, andere Lastkombinationen bei den ein­ zelnen Zylindern zu wählen. So ist es beispielsweise sinn­ voll, aus den jeweils möglichen Kombinationen einer. An­ steuerung in Normalbetriebsweise, Freiflugbetriebsweise oder Nullastbetriebsweise jeweils diejenige auszuwählen, die den verbrauchsgünstigsten und/oder schadstoffärmsten oder in anderer Hinsicht optimalen Betrieb ermöglicht.
Die Nullastbetriebsweise kann auch durch andere Maßnahmen als durch Halten der Ventile in offener oder geschlossener Position realisiert werden und zwar beispielsweise durch Abschalten der Einspritzung. Zweckmäßig ist es ferner, wenn die einzelnen Zylinder in ihrer Lastansteuerung abwechseln, so daß sich Vorteile hinsichtlich eines ruhigen Motorlaufes und einer gleichmäßigen Wärmeverteilung ergeben. Neben dem Abwechseln der Ansteuerung der einzelnen Zylinder von Zyklus zu Zyklus kann auch ein Wechsel der Betriebsart unregel­ mäßig, durch einen Pseudozufallsgenerator, einen sogenannten Rauschgenerator erfolgen, der der elektronischen Motor­ steuerung zugegeben ist.
Selbst auf ein Zyklusraster eines reinen 4-Takt-Verfah­ rens ist man nicht beschränkt, wenn die Aktuatoren der Gaswechselventile über die elektronische Motorsteuereinrich­ tung frei ansteuerbar sind. Dann ist es auch möglich, in bestimmten Bereichen einen 2-Takt-Zyklus einzuschieben oder einen oder mehrere Zylinder für 2-Takte, also einen halben 4-Takt-Zyklus, stillzulegen, so daß sich insgesamt ein 6- Takt-Verfahren ergibt. Statt durch Stillegung kann ein 6- Takt-Verfahren auch durch eine gezielte Ansteuerung der Aktuatoren der Gaswechselventile in Verbindung mit einer entsprechende Ansteuerung der Einspritzeinrichtung erreicht werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb einer mehrzylindrigen Kolben­ brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit Gaswechselventilen, die mit frei ansteuerbaren Aktuatoren verbunden sind, bei dem die Aktuatoren der einzelnen Zylinder in Abhängigkeit von der durch den Betrieb vor­ gegebenen Lastanforderung angesteuert werden und bei Unterschreiten einer Mindestlastanforderung die Aktuatoren der Gaswechselventile wenigstens eines Zylinders weiterhin zumindest in Freiflugbetriebsweise angesteuert werden und die Aktuatoren der Gaswechselventile der übrigen Zylinder wenigstens teilweise in Freiflugbetriebsweise und/oder in Nullastbetriebsweise angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Minderlastanforderung die Zylinder jeweils wechselnd in den unterschiedlichen Laststeuerverfahren angesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß im Bereich der Minderlastanforderung das Zyklusraster der Arbeitstakte an wenigstens einem Zylinder geändert wird.
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