DE102015204155B3

DE102015204155B3 - Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015204155B3
Application number: DE102015204155.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dingl; Matthias Delp; Andreas Holzeder
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: WO2016142110A1

Abstract

Ein Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände eines Aktuators einer Brennkraftmaschine (100) sieht vor, den für eine momentenneutrale Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) erforderlichen Sollpegels eines Saugrohrabsolutdrucks zu ermitteln. Wenn der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, wird ein Pegel des Ladedrucks, durch den es ermöglicht ist, nach dem Öffnen eines Volumenstrom-Regelungsventils (30) der Brennkraftmaschine den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3) bereitzustellen, ermittelt und der ermittelte Pegel des Ladedrucks in einer Ladeluftstrecke (2) der Brennkraftmaschine erzeugt. Zum Bereitstellen des Sollpegels des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3) wird das Volumentstrom-Regelungsventil (30) geöffnet und der Aktuator (12) zwischen den Betriebszuständen umgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Motorsteuereinrichtung zur Steuerung einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators der Brennkraftmaschine.
Zur Regelung des Massenstroms in den Zylinder eines Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine sind Aktuatoren vorgesehen, die in verschiedenen Betriebszuständen betreibbar sind. Die Aktuatoren können beispielsweise zwischen den Betriebszuständen umgeschaltet werden. Zu den Aktuatoren zur Regelung des Luftmassenstroms in den Zylinder gehören beispielsweise digital schaltende Ein- und Auslassventile.
Verbrennungsmotoren saugen die für die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs notwendige Luft durch die geöffneten Einlassventile an. Aktuatoren, die beim Umschalten ihrer Betriebs- beziehungsweise Schaltzustände eine schlagartige Änderung des Luftmassenstroms, beispielweise eine Änderung des Luftmassenstroms von mehr als 5% bewirken, erfordern besondere Beachtung. Die bei der Verbrennung entstandenen Verbrennungsabgase werden während des auf den Ansaugtakt folgenden Ausschiebetakts durch die dann geöffneten Auslassventile in den Abgastrakt ausgeschoben. Zur Optimierung des Ladungswechsels wird bei modernen Verbrennungsmotoren die Phasenlage der Einlass- und Auslassnockenwelle in Abhängigkeit von beispielsweise der Drehzahl und Motorlast verschoben. Zusätzlich kann die Variation des Ventilhubs angewendet werden. Dabei ist zwischen vollvariablem und stufenweise umschaltbarem Ventilhub zu unterscheiden.
Die stufenweise Umschaltung des Ventilhubs wird entweder am Einlass- oder Auslassventil sowie in einigen wenigen Fällen auch an Einlass- und Auslassventilen eingesetzt. Die Anzahl der zur Anwendung kommenden Ventilhübe kann dabei von zwei bis zu mehreren variieren. Prinzip bedingt ändert sich bei der stufenweisen Ventilhubumschaltung bei festgehaltenem Saugrohrabsolutdruck im Allgemeinen der Massenstrom in den Zylinder, die sogenannte Zylinderfüllung. Anders ausgedrückt muss zur Aufrechterhaltung des gleichen Massenstroms in den Zylinder bei den unterschiedlichen Betriebszuständen beziehungsweise Ventilhüben der Ventile für den gleiche Massenstrom in den Zylinder der Saugrohrabsolutdruck entsprechend angepasst werden.
Dies bedeutet, dass für eine momentenneutrale Ventilhubschaltung nur Betriebspunkte mit gleicher beziehungsweise minimal unterschiedlicher Zylinderfüllung zwischen beiden Ventilhüben in Frage kommen oder entsprechende Maßnahmen zur Anpassung des Motormoments getroffen werden müssen.
Ersteres bedeutet, dass sich im Umschaltpunkt zwischen verschiedenen Ventilhüben die so genannten Schlucklinien für die beiden Ventilhübe, zwischen denen umgeschaltet werden soll, schneiden müssen. Dies ist jedoch eine wesentliche Einschränkung der für eine momentenneutrale Umschaltung in Frage kommenden Betriebspunkte und zieht damit eine deutliche Reduzierung des Verbesserungspotentials nach sich.
Die Anpassung des Motormoments kann, je nach Schaltrichtung, durch einen Zündwinkeleingriff beziehungsweise durch die Kombination aus dem Erhöhen des Saugrohrabsolutdrucks und einem Zündwinkeleingriff erreicht werden. Wenn der Saugrohrabsolutdruck erhöht werden muss, so hat dies vor der eigentlichen Ventilhubumschaltung zu geschehen, was, um einen Anstieg des Motormoments zu verhindern, einen Zündwinkeleingriff bedingt. Allerdings ist ein derartiger Zündwinkeleingriff grundsätzlich unerwünscht, weil damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades und eine Änderung der Akustik des Motors einhergehen. Auch stößt diese Methode an ihre Grenzen, wenn bei extremen Füllungsunterschieden eines Zylinders der Zündwinkel so spät gezogen werden muss, dass die Brenngrenze des Motors erreicht beziehungsweise überschritten wird.
Aus der DE 103 50 150 A1 ist ein Verbrennungsmotor und ein Betriebsverfahren mit Ventilumschaltung und Ladeluftaufladung für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird die Ansaugluft in einem Luftsammler durch einen Lader aufgeladen und der Ventilhub vom Einlassventil oder Auslassventil des Verbrennungsmotors mit einer Stellvorrichtung eingestellt. Der Ladedruck der Ansaugluft für die Verbrennungsräume im Luftsammler und der Ventilhub werden von einer Motorsteuerung entsprechend der Fahrpedalstellung mittels Kennfeldern eingestellt. Gleichzeitig mit einer Ventilhubumschaltung wird der Ladedruck der Ansaugluft abgebaut. Der Ladedruck im Luftsammler wird abgebaut, in dem über eine Umluftklappe eine Verbindung des Luftsammlers zum Umgebungsdruck hergestellt wird.
Die DE 10 2008 042 510 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Momentenaufbau bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor während einer aktiven Fahrdynamikregelung. Insbesondere betrifft diese Druckschrift ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladedruckstellwerts zum Einstellen eines Ladedrucks in einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, sodass eine gewünschte Luftfüllung in einem Zylinder des Verbrennungsmotors einstellbar ist mit folgenden Schritten: a) Vorgeben eines Soll-Saugrohrdrucks zum Ansteuern des Verbrennungsmotors, wobei der Soll-Saugrohrdruck einen gewünschten Druck in einem Saugrohr des Verbrennungsmotors zum Bereitstellen der Luftfüllung angibt; b) Ermitteln eines Ladedruck-Offsets gemäß einer ersten Funktion abhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, insbesondere abhängig von einem durch den Saugrohrdruck und einer Motordrehzahl bestimmten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors; c) Ermitteln des Ladedruckstellwerts abhängig von dem Soll-Saugrohrdruck und abhängig von dem Ladedruck-Offset. Dadurch kann eine Momentenreserve bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor im Ladedruckbereich durch eine koordinierte Steuerung vom Saugrohrabsolut- und Ladedruck mittels Drosselklappe und Turbolader aufgebaut werden. Eine Berücksichtigung einer Ventilumschaltung erfolgt dabei nicht.
In der DE 10 2010 023 636 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs beschrieben, wobei vom Antriebsaggregat ein von einem Fahrerwunschmoment abhängiges Antriebsaggregatmoment dadurch bereitgestellt wird, dass abhängig vom Fahrerwunschmoment ein Sollwert für einen Luftmassenstrom oder einen Luftdruck in einem Sammler des Antriebsaggregats ermittelt und auf Basis dieses Sollwerts eine Stellgröße für eine Drosselklappe des Antriebsaggregats ermittelt wird. Dabei wird abhängig von dem Sollwert für den Luftmassenstrom oder den Luftdruck über ein D-Tn-Vorsteuerglied eine Vorsteuerstellgröße für die Drosselklappe ermittelt.
Die DE 10 2004 061 143 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die für die Steuerung des Ladungswechsels wenigstens zwei unterschiedliche Ventilerhebungskurven aufweist, wobei in die eine Richtung zur Umschaltung der wirksamen Ventilerhebungskurven vorgesehen ist, die über die Ansteuerung von Stellgliedern die jeweils wirksame Ventilerhebungskurve umschaltet. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens eine von einem Steuergerät ansteuerbare Drosselklappe und wenigstens ein steuerbares Einspritzelement auf und die Steuerung zur Umschaltung erfolgt derart, dass aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Erkennung einer Umschaltanforderung erfolgt. Zur Ermittlung des Ansteuersignals der Drosselklappe wird die Totzeit bis zur Füllungsänderung im Zylinder und die Umschaltdauer der Stellglieder für die Umschaltung der Ventilerhebungskurve vom Auslösen der Umschaltung bis zum Abschluss der Umschaltung ermittelt. Der Zeitpunkt der Ansteuerung der mechanischen Stellglieder zur Ventilhubumschaltung und die Ansteuerung der Drosselklappe entsprechen der Totzeit der Füllungsänderung und der Umschaltdauer der Stellglieder wird zueinander synchronisiert, wobei der Ansteuerzeitpunkt der Stellglieder ausgehend von einem zukünftigen Zeitpunkt, an welchem die Umschaltung der Ventilerhebungskurve abgeschlossen ist, zeitlich rückwärts ermittelt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine anzugeben, wobei die Brennkraftmaschine zwischen der Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators möglichst effizient betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Motorsteuereinrichtung zur Steuerung einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine anzugeben, wobei die Brennkraftmaschine während der Umschaltung der Betriebszustände möglichst effizient betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit momentenneutraler Umschaltung der Betriebszustände eines Aktuators der Brennkraftmaschine anzugeben, die während der Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators möglichst effizient betreibbar ist.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände eines Aktuators einer Brennkraftmaschine ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß dem Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, mit mindestens einem Aktuator zur Regulierung eines Massenstroms in den Zylinder und mit einem Volumenstrom-Regelungsventil zum Regeln des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr der Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei der Aktuator in einen ersten und zweiten Betriebszustand umschaltbar ist, und wobei die Brennkraftmaschine derart ausgebildet ist, dass der Massenstrom in den Zylinder und/oder das Motordrehmoment des Verbrennungsmotors bei gleichbleibendem Saugrohrabsolutdruck in Abhängigkeit von dem Betreiben des Aktuators in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand unterschiedlich ist.
Zunächst wird der für eine momentenneutrale Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators zum Umschaltzeitpunkt erforderliche Sollpegel eines Saugrohrabsolutdrucks ermittelt. Es wird festgestellt, ob der Saugrohrabsolutdruck durch eine Änderung des Ladedrucks mittels eines Aufladeaggregats der Brennkraftmaschine auf den Sollpegel einstellbar ist. Wenn festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, wird ein Pegel des Ladedrucks, durch den es ermöglicht ist, nach dem Öffnen eines Volumenstrom-Regelungsventils der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Drosselklappe, den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr bereitzustellen, ermittelt.
Wenn festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, wird der ermittelte Pegel des Ladedrucks in einer Ladeluftstrecke der Brennkraftmaschine, welche dem Volumenstrom-Regelungsventil vorgelagert ist, erzeugt. Zum Bereitstellen des Sollpegels des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr wird anschließend das Volumenstrom-Regelungsventil geöffnet. Der Aktuator wird zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand umgeschaltet.
Der Aktuator kann beispielsweise als ein Einlassventil zur Regelung eines in den Zylinder einströmenden Luftstroms ausgebildet sein. Das Einlassventil wird nach dem Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils zum Bereitstellen des Sollpegels des Saugrohrabsolutdrucks zwischen einem ersten Ventilhub als erstem Betriebszustand und einem zweiten Ventilhub als zweitem Betriebszustand umgeschaltet.
Die momentenneutrale Umschaltung des Ventilhubs ermöglicht es, Momentensprünge auf den Triebwerksstrang zu vermeiden. Dadurch kann der Ventilhub komfortabel gewechselt werden. Das Moment, das nach der Ventilhubumschaltung benötigt wird, muss vorgehalten und somit während der vorherigen Ventilstellung erzeugt werden. Zur Bereitstellung des Moments wird der Saugrohrabsolutdruck entsprechend geändert. Wenn der Motor beispielsweise bei der nachfolgenden Ventileinstellung schlechter schluckt, muss der Saugrohrabsolutdruck entsprechend angehoben werden. Der höhere Saugrohrabsolutdruck wird bereitgestellt, indem in der Ladeluftstrecke der Ladedruck erhöht wird und das Volumenstrom-Regelungsventil derart angestellt wird, dass sich der höhere Druck zunächst nur in der Ladestrecke aufbaut, nicht jedoch im nachgeschalteten Saugrohr. Die eigentliche Ventilhubumschaltung wird solange verzögert, bis ausreichend Ladedruck aufgebaut ist, so dass durch ein kurzes schnelles Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils der gewünschte Saugrohrabsolutdruck für den nachfolgenden Ventilhub im Saugrohr hergestellt wird.
Das Verfahren kann einerseits zur Anwendung kommen, wenn es ohne geeignete Gegenmaßnahmen aufgrund der Umschaltung der Betriebszustände von Aktuatoren zu einem unerwünschten Momentensprung kommen würde. Das Verfahren ermöglicht es, in diesem Fall das injizierte Verbrennungsmoment (inneres Moment) konstant zu halten. Andererseits findet das Verfahren ebenfalls Anwendung, wenn sich das Motormoment durch das Zu- und Wegschalten von Verlustmomenten, beispielweise beim Zuschalten eines Klimakompressors, schlagartig ändern muss. Durch das Zuschalten des Klimakompressors wird an der Kupplung ein höheres Moment abgenommen. In einem solchen Fall ist die sprunghafte Änderung des Luftmassenstroms durch die Umschaltung der Betriebszustände der Aktuatoren gewünscht. Das Verfahren ermöglicht es auch bei einem solchen Anwendungsfall, dass das Kupplungsmoment (äußeres Moment), das heißt das Verbrennungsmoment abzüglich der Verluste, konstant bleibt.
Durch Anwendung des Verfahrens kann ein Zündwinkeleingriff zur Durchführung einer momentenneutralen Ventilhubumschaltung entfallen beziehungsweise wesentlich reduziert werden. Damit verbunden ist eine Steigerung des Motorwirkungsgrads auch während der Ventilhubumschaltung. Der während der Ventilhubumschaltung mit dem Zündwinkelspätzug veränderte Brennverlauf und deren akustische Wahrnehmbarkeit entfallen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Ausführungsform einer Motorsteuereinrichtung zur Steuerung einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine ist im Patentanspruch 10 angegeben. Die Motorsteuereinrichtung ist zur Steuerung des oben angegebenen Verfahrens zur momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators der Brennkraftmaschine ausgebildet.
Eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit momentenneutraler Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators der Brennkraftmaschine ist im Patentanspruch 11 angegeben. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder und mindestens dem Aktuator zur Regulierung eines in den mindestens einen Zylinder einströmenden Massenstroms. Des Weiteren umfasst die Brennkraftmaschine ein Aufladeaggregat zur Einstellung eines Ladedrucks in der Ladeluftstrecke der Brennkraftmaschine und ein Volumenstrom-Regelungsventil zur Regulierung eines Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr der Brennkraftmaschine. Weiter umfasst die Brennkraftmaschine eine Motorsteuereinrichtung zur Steuerung der momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators der Brennkraftmaschine nach dem oben angegebenen Verfahren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuereinrichtung zur Steuerung einer momentenneutralen Ventilhubumschaltung eines Einlassventils der Brennkraftmaschine,
2 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur momentenneutralen Ventilhubumschaltung eines Einlassventils einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 100 mit einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10 mit mindestens einem Zylinder 11 und einem Einlassventil 12 als Aktuator zur Regulierung der in den Zylinder 11 einströmenden Luft. Das Einlassventil kann beispielsweise digital schaltend zwischen zwei Betriebszuständen, beispielsweise zwischen zwei verschiedenen Ventilhüben, ausgebildet sein. Des Weiteren umfasst die Brennkraftmaschine ein Aufladeaggregat 20, beispielsweise einen Turbolader, der eine Turbine 21 und einen Verdichter 22 aufweist. Dem Aufladeaggregat 20 wird Frischluft aus dem Zuführungsrohr 1 zugeführt. Die von dem Aufladeaggregat verdichtete Luft gelangt über eine Ladeluftstrecke 2, in der ein Ladeluftkühler 40 eingebaut sein kann, zu einem Volumenstrom-Regelungsventil 30 zum Regeln des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr 3 der Brennkraftmaschine 30. Das Volumenstrom-Regelungsventil 30 kann beispielsweise eine Drosselklappe sein. Stromabwärts dem Volumenstrom-Regelungsventil 30 wird die Luft über ein Saugrohr 3 dem Verbrennungsmotor 10 beziehungsweise dem Zylinder 11 des Verbrennungsmotors 10 zugeführt. Nach der Verbrennung gelangen die Abgase über ein Abgasrohr 4 auf die Turbine 21 des Aufladeaggregats und werden nachfolgend aus dem Abgasrohr ausgestoßen. Zur Steuerung eines Betriebszustands des Aufladeaggregats ist im Abgasrohr 4 vor der Turbine 21 ein Bypass-Ventil 50 vorgesehen.
Zwei verschiedene Ventilhübe des Einlassventils 12 führen im Allgemeinen bei festgehaltenem Saugrohrabsolutdruck zu unterschiedlichen Massenströmen in den Zylinder 11. Der Massenstrom in den Zylinder, die so genannte Zylinderfüllung, kann mit Hilfe eines Modellansatzes, wie er beispielsweise in der Druckschrift EP 0 820 559 B1 beschrieben ist, berechnet werden. Die Zylinderfüllung ṁ_cyl lässt sich durch die Gleichung ṁ_cyl = η_slope(N_eng, CAM_im, CAM_ex, T_air,im, ...)·p_im – η_off(N_eng, CAM_in, CAM_ex, T_air,im, ...) berechnen. Die Zylinderfüllung ṁ_cyl wird bestimmt durch die Motordrehzahl N_eng, die Nockenwellenposition für Ein- und Auslass CAM_im, CAM_ex, den Saugrohrabsolutdruck p_im, der dem Druck vor dem Einlassventil entspricht, die Saugrohrtemperatur T_air,im, die der Temperatur vor dem Einlassventil entspricht, die Position aller n-zylindernahen Aktuatoren, beispielsweise Nockenwellenversteller für Phase und Hub, Drallklappen und Schaltsaugrohr, sowie durch weitere Einflussgrößen, wie beispielsweise die Kühlmitteltemperatur. Die oben angegebene Gleichung gibt eine Gerade mit der Steigung η_slope und dem Absolutwert ṁ_off an.
Durch Umstellung der oben angegebenen Gleichung kann mit Hilfe des Modellansatzes für eine gewünschte Zylinderfüllung unter Berücksichtigung der Aktuatorpositionen, beispielsweise der Positionen jedes digital schaltenden Aktuators, der dazu benötigte Saugrohrabsolutdruck berechnet werden. Der Saugrohrabsolutdruck p_im ergibt sich zu
Das Verfahren zur momentneutralen Umschaltung der Betriebszustände eines Aktuators zur Regelung eines Massenstroms in den Zylinder wird im Folgenden anhand des in 2 dargestellten Flussdiagramms erläutert. Das Verfahren wird dabei insbesondere am Beispiel eines Einlassventils als Aktuator, der zwischen zwei Betriebszuständen beziehungsweise Ventilhüben schaltbar ist, anschaulich erläutert.
In einem Verfahrensschritt A wird geprüft, ob eine Ventilhubumschaltung angefordert ist. Falls die Ventilhubumschaltung angefordert ist, wird im Verfahrensschritt B der zum Umschaltzeitpunkt für eine momentneutrale Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators erforderliche Sollpegel eines Saugrohrabsolutdrucks ermittelt. Im Falle eines Einlassventils als Aktuator wird beispielsweise der für die Ventilhubumschaltung des Einlassventils erforderliche Sollpegel eines Saugrohrabsolutdrucks ermittelt. Der Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks wird insbesondere derart ermittelt, dass eine Zylinderfüllung des Zylinders 11 der Brennkraftmaschine 100, das heißt der Massenstrom in den Zylinder, vor und nach der Umschaltung der Betriebszustände des Akuators beziehungsweise bei dem Ausführungsbeispiel des als Einlassventils ausgebildeten Aktuators vor und nach der Ventilhubumschaltung für das Einlassventil 12 unverändert bleibt. Der Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks kann insbesondere in Abhängigkeit von Positionen, auf die die Aktuatoren, beispielsweise das Einlassventil 12, der Brennkraftmaschine nach der Ventilhubumschaltung gestellt sind, ermittelt werden. Mittels eines Modellansatzes, wie er beispielsweise in der Druckschrift EP 0 820 559 B1 beschrieben ist, lassen sich für Motoren mit mehreren Ventilhüben für jeden gewünschten Ventilhub die zugehörigen Saugrohrabsolutdrücke p_im, bei denen der Massenstrom in den Zylinder, das heißt die Zylinderfüllung konstant bleibt, bestimmen. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden dies bei dem Ausführungsbeispiel des Einlassventils als Aktuator lediglich die Drücke für jene zwei an der Ventilhubumschaltung beteiligten Ventilhübe sein.
Da die Ventilhubumschaltung von einem Arbeitsspiel zum anderen erfolgt, müsste für einen momentneutralen Wechsel ohne Zusatzmaßnahmen der Saugrohrabsolutdruck entsprechend sprunghaft gestellt werden. In der Realität ist dies jedoch nicht darstellbar, da dies – je nach Richtung des Lastsprungs – das physikalisch unmögliche sprunghafte Befüllen beziehungsweise Entleeren des Saugrohrs genau zum Zeitpunkt der Ventilhubumschaltung bedingen würde.
Aufgeladene Verbrennungsmotoren bieten die Möglichkeit, den Ladedruck innerhalb gewisser Grenzen frei zu stellen. Limitierend wirken das Aufladeaggregat selbst, aber auch Festigkeitsgrenzen der beteiligten Bauteile. In einem Verfahrensschritt C wird festgestellt, ob der Saugrohrabsolutdruck durch eine Änderung des Ladedrucks mittels des Aufladeaggregats 20 der Brennkraftmaschine auf den Sollpegel einstellbar ist. Wenn festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, wird in einem Verfahrensschritt D ein Pegel des Ladedrucks, durch den es ermöglicht ist, nach dem Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils 30 der Brennkraftmaschine den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr 3 bereitzustellen, ermittelt.
Im Verfahrensschritt E wird der ermittelte Pegel des Ladedrucks in der Ladeluftstrecke 2 der Brennkraftmaschine, welche dem Volumenstrom-Regelungsventil vorgelagert ist, erzeugt, wenn zuvor festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist. Da der Motor während der Änderung des Ladedrucks noch mit der Ventilstellung vor der Umschaltung betrieben wird, darf sich der Saugrohrabsolutdruck zunächst noch nicht ändern. Damit der Saugrohrabsolutdruck beispielsweise bei angehobenem Ladedruck nicht ansteigt, muss das Volumenstrom-Regelungsventil 30 entsprechend stärker angestellt werden. Im Verfahrensschritt E kann daher vorgesehen sein, eine Position des Volumenstrom-Regelungsventils 30 der Brennkraftmaschine während des Aufladens der Ladeluftstrecke 2 auf den ermittelten Pegel des Ladedrucks derart anzupassen, dass der Saugrohrabsolutdruck während des Aufladens der Ladeluftstrecke 2 zunächst konstant bleibt. Dies kann mit einem Modellansatz, wie er beispielsweise in der Druckschrift EP 0 820 559 B1 beschrieben ist, realisiert werden.
Für den Öffnungswinkel A_red,SP(α) des Volumenstrom-Regelungsventil, beispielsweise einer Drosselklappe, ergibt sich
Der Öffnungswinkel A_red,SP(α) des Volumenstrom-Regelungsventils wird durch den Sollluftmassenstrom an der Drosselklappe ṁ_thr,SP, durch den Absolutdruck vor der Drosselklappe p_thr,SP, der dem Ladedruck entspricht, durch den Saugrohrabsolutdruck p_im, der dem Druck vor dem Einlassventil entspricht, durch die Saugrohrtemperatur T_air,im, die der Temperatur vor dem Einlassventil entspricht, und den isotropen Exponent des angesaugten Gases k bestimmt.
Wenn der Pegel des Ladedrucks den Sollpegel vor dem Volumenstrom-Regelungsventil erreicht hat, wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt F das Volumenstrom-Regelungsventil 30 geöffnet, um den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr 3 bereitzustellen. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt G wird dann zwischen den Betriebszuständen des Aktuators umgeschaltet. Beim Ausführungsbeispiel des Einlassventils als Aktuator wird der Ventilhub des Einlassventils 12 der Brennkraftmaschine umgeschaltet.
Wenn für eine Umschaltung von einem Betriebszustand des Aktuators in einen anderen, beispielsweise für eine Umschaltung von einem Ventilhub mit höherem Durchfluss auf einen Ventilhub mit geringerem Durchfluss, der Absolutdruck vor dem Volumenstrom-Regelungsventil, das heißt der Ladedruck p_thr,SP, derart angehoben wird, dass sich bei der Ventilhubumschaltung und dem damit verbundenen Aufreißen des Volumenstrom-Regelungsventils 30 ein Saugrohrabsolutdruck p_im einstellt, der notwendig ist, um die Zylinderfüllung konstant zu halten, dann sind Maßnahmen, wie beispielsweise der Zündwinkeleingriff, hinfällig.
Vorzugsweise wird der Ladedruck nur soweit angehoben, dass sich bei nachgeschaltetem Betriebszustand eines Aktuators beziehungsweise nachgeschaltetem Ventilhub des Einlassventils und völliger beziehungsweise an die Betriebsstrategie angepasster Entdrosselung der notwendige Saugrohrabsolutdruck p_im einstellt. Der Ladedruck muss dabei möglichst präzise eingestellt werden. Wenn der Ladedruck p_thr,SP vor dem Volumenstrom-Regelungsventil zu niedrig ist, so folgt ein Momenteneinbruch. Wenn hingegen der Ladedruck vor dem Volumenstrom-Regelungsventil zu hoch ist, so kann zwar der Momenteneinbruch verhindert werden, aber ein Teil des Massenstroms muss auch nach der Ventilhubumschaltung weggedrosselt werden, was energetisch unerwünscht ist.
Die Ablaufsteuerung zwischen dem Ladedruckaufbau, dem Aufreißen des Volumenstrom-Regelungsventils und dem Umschalten der Betriebszustände des Aktuators beziehungsweise des Ventilhubs des Einlassventils muss sämtliche Totzeiten der Systemkomponenten berücksichtigen. Für eine momentenneutrale Umschaltung kann im Verfahrensschritt F insbesondere das Totzeitverhalten des Volumenstrom-Regelungsventils berücksichtigt werden, so dass gegebenenfalls die Ansteuerung des Volumenstrom-Regelungsventils der Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators beziehungsweise der Ventilhubumschaltung um eine kalibrierbare Zeit vorauseilt. Im Verfahrensschritt F kann daher zusätzlich vorgesehen sein, dass das Volumenstrom-Regelungsventil in Abhängigkeit von einem Totzeitverhalten des Volumenstrom-Regelungsventils eine Zeit vor dem Umschalten der Betriebszustände des Aktuators, beispielsweise vor dem Umschalten des Ventilhubs des Einlassventils, geöffnet wird, um im Saugrohr den Sollpegel des Saugrohrdrucks bereitzustellen. Dadurch ist gewährleistet, dass beim tatsächlichen Umschalten des Ventilhubs der gewünschte Saugrohrabsolutdruck am Einlassventil anliegt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators, beispielsweise die Ventilhubumschaltung des Einlassventils, auch mittels einer Kombination aus dem Verfahren des Zündwinkelspätzugs und dem Ändern des Saugrohrabsolutdrucks durch Änderung des Ladedrucks mittels des Aufladeaggregats erfolgen. Dies kann vorteilhaft derart ausgeführt werden, indem beide Verfahren betriebspunktabhängig eingesetzt werden. In Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, in denen der notwendige Ladedruck nicht erzeugt werden kann, kann beispielsweise das Verfahren des Zündwinkelspätzugs angewandt werden, während in allen anderen Betriebspunkten die Änderung des Saugrohrabsolutdrucks durch Änderung des Ladedrucks mittels des Aufladeaggregats zum Einsatz kommt. Falls im Verfahrensschritt C daher festgestellt wird, dass der Ladedruckaufbau mittels des Aufladeaggregats nicht möglich ist, um den gewünschten Sollwert zu erreichen, wird im Verfahrensschritt H das Motormoment zum Durchführen der momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators 12 entsprechend angepasst. Dazu kann beispielsweise das Verfahren des Zündwinkelspätzugs angewandt werden, bei dem durch Vornahme eines Zündwinkeleingriffs eine Änderung des Motormoments während dem Umschalten der Betriebszustände des Aktuators 12 verhindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Verfahren des Zündwinkeleingriffs und der Änderung des Ladedrucks zum Einstellen des gewünschten Saugrohrabsolutdrucks auch derart kombiniert werden, dass ein Teil des in Folge der Ventilhubumschaltung auftretenden Unterschiedes des Massenstroms in den Zylinder durch Einstellen des ermittelten Pegels des Ladedrucks durch das Aufladeaggregrat und ein anderen Teil des Unterschiedes des Massenstroms in den Zylinder durch den Zündwinkeleingriff kompensiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Zuführungsrohr für Frischluft
2: Ladedruckstrecke
3: Saugrohr
4: Abgasrohr
10: Verbrennungsmotor
11: Zylinder
12: Einlassventil
20: Aufladeaggregat
21: Turbine
22: Verdichter
30: Volumenstrom-Regelungsventil
40: Ladeluftkühler
50: Bypass-Ventil
60: Motorsteuereinrichtung
100: Brennkraftmaschine

Claims

Verfahren zur momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Brennkraftmaschine (100) mit einem Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Zylinder (11), mit mindestens einem Aktuator (12) zur Regulierung eines Massenstroms in dem Zylinder (11) und mit einem Volumenstrom-Regelungsventil (30) zum Regeln des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3) der Brennkraftmaschine, wobei der Aktuator (12) in einen ersten und zweiten Betriebszustand umschaltbar ist, und wobei die Brennkraftmaschine derart ausgebildet ist, dass der Massenstrom in den Zylinder (11) und/oder das Motordrehmoment des Verbrennungsmotors (10) bei gleichbleibendem Saugrohrabsolutdruck in Abhängigkeit von dem Betreiben des Aktuators (12) in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand unterschiedlich ist, – Ermitteln des für eine momentenneutrale Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) zum Umschaltzeitpunkt erforderlichen Sollpegels des Saugrohrabsolutdrucks, – Feststellen, ob der Saugrohrabsolutdruck durch eine Änderung des Ladedrucks mittels eines Aufladeaggregats (20) der Brennkraftmaschine auf den Sollpegel einstellbar ist, – Ermitteln eines Pegels des Ladedrucks, durch den es ermöglicht ist, nach dem Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils (30) der Brennkraftmaschine den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3) bereitzustellen, wenn festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, – Erzeugen des ermittelten Pegels des Ladedrucks in einer Ladeluftstrecke (2) der Brennkraftmaschine, welche dem Volumenstrom-Regelungsventil (30) vorgelagert ist, wenn festgestellt worden ist, dass der Saugrohrabsolutdruck durch die Änderung des Ladedrucks auf den Sollpegel einstellbar ist, – Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils (30) zum Bereitstellen des Sollpegels des Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3), – Umschalten des Aktuators (12) der Brennkraftmaschine zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den folgenden Schritt: Anpassen einer Position des Volumenstrom-Regelungsventils (30) der Brennkraftmaschine während des Aufladens der Ladeluftstrecke (2) auf den ermittelten Pegel des Ladedrucks derart, dass der Saugrohrabsolutdruck während des Aufladens der Ladeluftstrecke (2) konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend den folgenden Schritt: Öffnen des Volumenstrom-Regelungsventils (30), um im Saugrohr (3) den Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks bereitzustellen, eine Zeit vor dem Umschalten der Betriebszustände des Aktuators (12), wobei die Zeit von einem Totzeitverhalten des Volumenstrom-Regelungsventils (30) abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks derart ermittelt wird, dass ein Massenstrom in den Zylinder (11) der Brennkraftmaschine vor und nach der Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators unverändert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sollpegel des Saugrohrabsolutdrucks in Abhängigkeit von dem Betriebszustand, auf den der Aktuator (12) der Brennkraftmaschine nach der Umschaltung der Betriebszustände geschaltet ist, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend den folgenden Schritt: Anwenden eines Verfahrens, bei dem durch einen Zündwinkeleingriff eine momenentenneutrale Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) ermöglicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Teil des infolge der Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) bei unverändertem Saugrohrabsolutdruck auftretenden Unterschiedes des Massenstroms in den Zylinder (11) durch Einstellen des ermittelten Pegels des Ladedrucks durch das Aufladeaggregat (20) und ein anderer Teil des Unterschiedes des Massenstroms in den Zylinder (11) durch einen Zündwinkeleingriff kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei der Aktuator (12) als ein Einlassventil zur Regulierung eines in den Zylinder (11) einströmenden Luftmassenstroms ausgebildet ist, – wobei das Einlassventil zwischen einem ersten Ventilhub als erstem Betriebszustand und einem zweiten Ventilhub als zweitem Ventilhub umgeschaltet wird.
Motorsteuereinrichtung zur Steuerung einer momentenneutralen Umschaltung von Betriebszuständen eines Aktuators einer Brennkraftmaschine, wobei die Motorsteuereinrichtung (60) zur Steuerung eines Verfahrens zur momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine mit momentenneutraler Umschaltung der Betriebszustände eines Aktuators der Brennkraftmaschine, umfassend: – einen Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Zylinder (11) und mindestens einem Aktuator (12) zur Regulierung des in den mindestens einen Zylinder (11) einströmenden Massenstroms, – ein Aufladeaggregat (20) zur Einstellung eines Ladedrucks in der Ladeluftstrecke (2) der Brennkraftmaschine, – ein Volumenstrom-Regelungsventil (30) zur Regulierung eines Saugrohrabsolutdrucks im Saugrohr (3) der Brennkraftmaschine, – eine Motorsteuereinrichtung (60) zur Steuerung der momentenneutralen Umschaltung der Betriebszustände des Aktuators (12) der Brennkraftmaschine nach Anspruch 9.