DE10066178B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen Zylinder (30), einen Einlaßkrümmer (44), ein Einlaßventil (52), dessen Ventilhub von einem variablen Ventiltrieb steuerbar ist, eine mit dem Einlaßkrümmer (44) verbundene Drosselklappe (62) sowie eine Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator (70) und einem Abgas-Sauerstoffsensor (76) aufweist, wobei eine in den Zylinder strömende Soll-Luftmenge bestimmt wird und in Abhängigkeit von der Soll-Luftmenge der Ventilhub des Einlaßventils (52) verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (62) in Abhängigkeit eines zuvor bestimmten Drucks im Einlaßkrümmer (44) verstellt wird, und daß Kraftstoff anhand eines Signals von dem Abgas-Sauerstoffsensor (76) direkt in den Zylinder (30) eingespritzt wird, um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis während einer stöchiometrischen Betriebsart auf einem stöchiometrischen Wert zu halten.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steuern der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen Zylinder, einen Auslasskrümmer, ein Einlassventil, dessen Ventilhub von einem variablen Ventiltrieb steuerbar ist, eine mit dem Einlasskrümmer verbundene Drosselklappe sowie eine Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator und einem Abgassauerstoffsensor aufweist, wobei eine in den Zylinder strömende Soll-Luftmenge bestimmt und in Abhängigkeit von der Soll-Luftmenge der Ventilhub des Einlassventils verstellt wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei manchen Motoren wird eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe für eine Leistungsverbesserung eingesetzt. Die elektronische Drosselklappe wird insbesondere zur Regelung des Luftdurchsatzes auf einen gewünschten Wert, der durch Betriebsbedingungen und einen Fahrerbefehl bestimmt wird, verwendet. Auf diese Weise kann das Fahrzeug ein verbessertes Fahrgefühl und eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielen.
  • Bei diesem System wird der erforderliche Luftdurchsatz dazu verwendet, eine anfängliche Einstellung der Drosselklappe zu ermitteln. Ferner wird auch eine Differenz zwischen dem erforderlichen Luftdurchsatz und dem tatsächlichen gemessenen Luftdurchsatz dazu verwendet, die anfängliche Einstellung der Drosselklappe zu berichtigen. Somit wird die Drosselklappe zur Steuerung des Luftdurchsatzes und damit des Motordrehmoments verwendet. Ein derartiges System wird in der US 5,019,989 A beschrieben.
  • Ein Nachteil bei dieser Steuerung der Drosselklappenstellung liegt insbesondere darin, dass die Drosselklappe das Drehmoment nicht schnell ändern kann, da die Drosselklappe eine in den Ansaugkrümmer strömende Menge steuert. Ein Steuern der in den Krümmer strömenden Luftmenge kann aufgrund des Krümmervolumens die Zylinderfüllung nicht schnell steuern. Wenn die Drosselklappe beispielsweise sofort geschlossen wird, sinkt die Luftfüllung des Zylinders nicht sofort auf Null. Der Motor muss die in dem Krümmer gespeicherte Luft herunterpumpen, was eine bestimmte Anzahl an Umdrehungen dauert. Daher sinkt die Luftfüllung des Zylinders nur allmählich auf Null.
  • Es sind auch Verfahren zum Steuern des Motordrehmoments bekannt, bei denen der Zündzeitpunkt verwendet wird. Zur Maximierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit sollte die Zündzeitpunktsteuerung insbesondere auf MBT-Zündzeitpunktsteuerung (Zündsteuerung für maximales Drehmoment) stehen. An diesem Punkt reduziert aber die Verstellung des Zündzeitpunkts in jeder Richtung das Drehmoment und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Daher kann bei der Maximierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit das Drehmoment schnell erhöht werden. Um die Zündzeitpunktsteuerung in positiver und negativer Richtung verwenden zu können, muss der Zündzeitpunkt weg von der MBT-Steuerung gesetzt werden. Dies erlaubt eine schnelle Motordrehmomentsteuerung, doch auf Kosten einer schlechteren Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
  • Die DE 198 47 851 A1 schlägt vor, den Motor in niedrigem und mittlerem Lastbereich nicht mit einem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffgemisch, sondern mit einem Magergemisch mit Lambdawerten von 14 bis 20 zu betreiben. Hierfür soll die Drosselklappe vollständig geöffnet und die Einlassluftmenge alleine über den Ventilhub des Einlassventils gesteuert werden. Hierdurch kann jedoch die in den Zylinder strömende Luftmenge nicht rasch genug geändert werden.
  • Die US 5,690,071 A schlägt es weiterhin vor, zur Kompensation von Drehmomentschwankungen, die aus einer Verstellung der Ventilsteuerzeiten resultieren, durch eine Anpassung der Einlassluftmenge vorzunehmen, und zwar durch Verstellung eines Luftbypassventils bzw. Verstellung einer elektronisch gesteuerten Drosselklappe.
  • Ferner beschreibt es die JP 11-270368 A , ungewollte Ansprechfehler der Ventilhubsteuervorrichtung bei niedrigen Öltemperaturen durch eine Veränderung der Drosselklappenstellung zu kompensieren. Auch mit dieser Motorsteuerung kann es zu ungewollten Verzögerungen bei der Steuerung der Einlassluftmenge kommen, so dass diese nicht rasch genug geändert werden kann.
  • Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, Änderungen in der Zylinderluftbefüllung rasch umzusetzen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, dass die Drosselklappe von einem Steuergerät in Abhängigkeit eines zuvor bestimmten Drucks im Einlasskrümmer verstellt wird und dass Kraftstoff von einem von dem Steuergerät ansteuerbaren Kraftstoffeinspritzventil anhand eines Signals von dem Abgassauerstoffsensor direkt in den Zylinder eingespritzt wird, um das durchschnittliche Luft-/Kraftstoff-Verhältnis während einer stöchiometrischen Betriebsart auf einem stöchiometrischen Wert zu halten.
  • Durch Steuern sowohl einer dem Ansaugkrümmer zugeordneten Drosselklappe als auch eines Einlassventils, das die aus dem Krümmer in den Zylinder strömende Menge steuert, ist es möglich, den Luftdurchsatz trotz Reaktionsverzögerungen der durch den Ansaugkrümmer angesaugten Luftmenge schnell zu verändern. Weiterhin kann durch Reaktion auf die Anforderung einer in den Zylinder strömenden Menge eine genauere und schnellere Steuerung erreicht werden. Durch die schnelle Änderung der Zylinderfüllung wird eine schnelle Änderung des Motordrehmoments ermöglicht. Dabei beschränkt das Krümmervolumen nicht die maximale Änderungsgeschwindigkeit des Motorluftdurchsatzes.
  • Durch Ändern sowohl der Drosselklappen- als auch der Einlassventilstellung ist es möglich, den Motorluftdurchsatz und die Zylinderluftfüllung trotz Reaktionsverzögerungen der durch den Ansaugkrümmer angesaugten Luftmenge schnell zu verändern. Die vorliegende Erfindung steuert mit anderen Worten die Ansaugkrümmereinlass- und -auslassströme auf koordinierte Weise, um eine schnelle Änderung der Luftfüllung des Zylinders unabhängig vom Krümmervolumen zu ermöglichen.
  • Durch Verändern sowohl der Einlass- als auch der Auslass-Steuervorrichtung ist es zudem auch möglich, das Motordrehmoment trotz Reaktionsverzögerungen der durch den Ansaugkrümmer angesaugten Luftmenge schnell zu verändern. Dabei kann eine schnelle Motordrehmomentsteuerung ohne Einbuße der Kraftstoffwirtschaftlichkeit verwirklicht werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Aufgabe und die Vorteile der hierin beanspruchten Erfindung sind bei Lesen eines Beispiels einer Ausführung, in der die Erfindung vorteilhaft angewendet wird, unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen weiter ersichtlich. Hierbei sind:
  • 1A und 1B Blockdiagramme einer Ausführung, bei der die Erfindung vorteilhaft angewendet wird;
  • 2A ein Blockdiagramm einer Ausführung, bei der die Erfindung vorteilhaft angewendet wird;
  • 2B–2O Darstellungen, die den Betrieb der Ausführung von 2A beschreiben;
  • 3–5, 8–10 detaillierte Ablaufdiagramme, die einen Teil des Betriebs der in 1A, 1B und 2A gezeigten Ausführung durchführen;
  • 6 eine Darstellung, die zeigt, wie verschiedene Faktoren mit dem Motorbetrieb erfindungsgemäß in Verbindung stehen;
  • 7 eine Darstellung, die Ergebnisse bei Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11A–11F Darstellungen, die den Betrieb einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beschreiben, und
  • 12 und 14 Blockdiagramme einer Ausführung, in der die Erfindung vorteilhaft angewendet wird.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführung(en)
  • Ein Direkteinspritzerverbrennungsmotor 10 mit Fremdzündung, der eine Vielzahl von Brennräumen umfasst, wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Brennraum 30 des Motors 10 wird in 1A mit Brennraumwandungen 32 mit dem darin positionierten und mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 gezeigt. In diesem speziellen Beispiel umfasst der Kolben 30 eine (nicht abgebildete) Ausnehmung oder Kammer zur Unterstützung der Bildung von Schichtfüllungen mit Luft und Kraftstoff. Der Brennraum oder Zylinder 30 wird mit dem Ansaugkrümmer 44 und dem Abgaskrümmer 48 über (nicht abgebildete) jeweilige Einlassventile 52a und 52b und (nicht abgebildete) Auslassventile 54a und 54b in Verbindung stehend gezeigt. Das Einspritzventil 66A ist direkt mit dem Brennraum 30 verbunden dargestellt, zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff direkt dort hinein im Verhältnis zur Impulsbreite des von dem Steuergerät 12 über den herkömmlichen elektronischen Treiber 69 erhaltenen Signals fpw. Durch ein (nicht abgebildetes) herkömmliches Hochdruckkraftstoffsystem einschließlich eines Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und eines Kraftstoffverteilerrohrs wird dem Einspritzventil 66A Kraftstoff zugeführt.
  • Der Ansaugkrümmer 44 ist über die Drosselklappenplatte 62 mit dem Drosselklappengehäuse 58 verbunden. Bei diesem speziellen Beispiel ist die Drosselklappenplatte 62 mit dem elektrischen Motor 94 derart verbunden, dass die Stellung der Drosselklappenplatte 62 durch das Steuergerät 12 über den elektrischen Motor 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird häufig als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) bezeichnet, die auch während der Leerlaufstabilisierung eingesetzt wird. In einer (nicht abgebildeten) alternativen Ausführung, die dem Fachmann an sich bekannt ist, ist ein Umgehungsluftkanal parallel zur Drosselklappenplatte 62 angeordnet, um die Ansaugluft während der Leerlaufstabilisierung über ein in dem Luftkanal positioniertes Drosselklappensteuerventil zu steuern.
  • Die Abgas-Lambdasonde 76 ist mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts des Katalysators 70 verbunden. In diesem speziellen Beispiel liefert die Sonde 76 das Signal EGO an das Steuergerät 12, welches das Signal EGO in das Zweizustandssignal EGOS umwandelt. Ein Hochspannungszustand des Signals EGOS zeigt an, dass die Abgase unterstöchiometrisch sind, und ein Niederspannungszustand des Signals EGOS zeigt an, dass die Abgase überstöchiometrisch sind. Das Signal EGOS wird während der Lambdaregelung auf herkömmliche Weise vorteilhaft verwendet, um das durchschnittliche Luft-/Kraftstoffverhältnis während des stöchiometrischen homogenen Betriebs stöchiometrisch zu halten.
  • Die herkömmliche verteilerlose Zündung 88 liefert dem Brennraum 30 über die Zündkerze 92 in Reaktion auf das Zündzeitpunktverstellsignal SA von dem Steuergerät 12 einen Zündfunken.
  • Das Steuergerät 12 bewirkt durch Steuern der Einspritzzeit einen Betrieb des Brennraums 30 entweder in einem homogenen Luft-/Kraftstoffbetrieb oder in einem Schicht-Luft-/Kraftstoffbetrieb. Im Schichtbetrieb aktiviert das Steuergerät 12 das Einspritzventil 66A während des Motorverdichtungshubs, so dass Kraftstoff direkt in die Kammer des Kolbens 36 eingespritzt wird. Dadurch werden Luft-/Kraftstoffschichtungen gebildet. Die der Zündkerze am nächsten liegende Schicht enthält ein stöchiometrisches Gemisch bzw. ein leicht unterstöchiometrisches Gemisch und die folgenden Schichten enthalten zunehmend magerere Gemische. Während des homogenen Betriebs aktiviert das Steuergerät 12 das Einspritzventil 66A während des Ansaughubs, so dass ein im Wesentlichen homogenes Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, wenn der Zündkerze 92 durch die Zündung 88 Zündkraft zugeführt wird. Das Steuergerät 12 steuert die Menge des von dem Einspritzventil 66A zugeführten Kraftstoffes, so dass das homogene Luft-/Kraftstoffgemisch in dem Raum 30 bei einem stöchiometrischen, einem unterstöchiometrischen oder einem überstöchiometrischen Wert gewählt werden kann. Das Schicht-Luft-/Kraftstoffgemisch liegt immer bei einem überstöchiometrischen Wert, wobei das exakte Luft-/Kraftstoffverhältnis eine Funktion der Menge des dem Brennraum 30 zugeführten Kraftstoffes ist. Ein zusätzlicher geteilter Betrieb, bei dem zusätzlicher Kraftstoff während des Auspufftakts bei Schichtbetrieb eingespritzt wird, ist ebenfalls möglich.
  • Eine Stickstoff-(NOx)-Absorbiervorrichtung oder Falle 72 ist stromabwärts des Katalysators 70 positioniert gezeigt. Die NOx-Falle 72 absorbiert NOx, wenn der Motor 10 überstöchiometrisch läuft. Das absorbierte NOx wird dann mit Kohlenwasserstoff zur Reaktion gebracht und wird während eines NOx-Spülzyklus katalysiert, wenn das Steuergerät 12 den Motor 10 entweder in einem unterstöchiometrischen Betrieb oder einem stöchiometrischen homogenen Betrieb arbeiten lässt.
  • Das Steuergerät 12 ist in 1A als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, der Folgendes umfasst: eine Mikroprozessorvorrichtung 102, Eingangs-/Ausgangskanäle 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem speziellen Beispiel als Festspeicherbaustein 106 gezeigt wird, einen Direktzugriffspeicher 108, einen Erhaltungsspeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus. Es wird das Steuergerät 12 gezeigt, wie es verschiedene Signale von den mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Signalen erhält, nämlich: Messung der angesaugten Luftmasse (MAP) von dem mit dem Drosselklappengehäuse 58 verbundenen Luftmassensensor 100; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von dem mit dem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112; ein Profilzündungsabtastsignal (PIP) von dem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118; die Drosselklappenstellung TP von dem Drosselklappenschalter 120 und das Ansaugunterdrucksignal MAP von dem Sensor 122. Das Drehzahlsignal RPM wird durch das Steuergerät 12 aus dem Signal PIP auf herkömmliche Weise erzeugt, und das Ansaugunterdrucksignal MAP zeigt eine Motorlast an. Bei einer bevorzugten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt der Geber 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle.
  • Bei diesem speziellen Beispiel werden die Temperatur Tcat des Katalysators 70 und die Temperatur Ttrp der NOx-Falle 72 aus dem in dem U.S. Patent Nr. 5,414,994 , auf deren Beschreibung insoweit verwiesen wird, offenbarten Motorbetrieb abgeleitet. In einer anderen Ausführung wird die Temperatur Tcat durch den Temperatursensor 124 und die Temperatur Ttrp durch den Temperatursensor 126 ermittelt.
  • Gemäß 1A wird eine Nockenwelle 130 des Motors 10 in Verbindung mit Kipphebeln 132 und 134 zur Betätigung der Einlassventile 52a, 52b und des Auslassventils 54a, 54b gezeigt. Die Nockenwelle 130 ist direkt mit dem Gehäuse 136 verbunden. Das Gehäuse 136 bildet ein Zahnrad mit einer Vielzahl von Zähnen 138. Das Gehäuse 136 ist mit einer (nicht abgebildeten) Innenwelle hydraulisch verbunden, welche wiederum über eine (nicht abgebildete) Steuerkette direkt mit der Nockenwelle 130 verbunden ist. Daher drehen sich das Gehäuse 136 und die Nockenwelle 130 bei einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen gleich der der inneren Nockenwelle ist. Die innere Nockenwelle dreht sich bei einem konstanten Geschwindigkeitsverhältnis zur Kurbelwelle 40. Durch ein später hier beschriebenes Eingreifen in die hydraulische Kupplung kann die relative Stellung der Nockenwelle 130 zur Kurbelwelle 140 durch Hydraulikdrücke in der Frühverstellkammer 142 und der Spätverstellkammer 144 abgeändert werden. Indem man das Hochdruckhydrauliköl in die Frühverstellkammer 142 gelangen lässt, wird das relative Verhältnis zwischen Nockenwelle 130 und Kurbelwelle 40 auf früh gestellt. Somit öffnen und schließen die Einlassventile 52a, 52b und die Auslassventile 54a, 54b gegenüber der Kurbelwelle 40 früher als normal. Indem man ein Hochdruckhydrauliköl in die Spätverstellkammer 144 gelangen lässt, wird analog das relative Verhältnis zwischen Nockenwelle 130 und Kurbelwelle 40 auf spät eingestellt. Somit öffnen und schließen die Einlassventile 52a, 52b und die Auslassventile 54a, 54b gegenüber der Kurbelwelle 40 später als normal.
  • Zähne 138, die mit dem Gehäuse 136 und der Nockenwelle 130 verbunden sind, ermöglichen über einen Nockensteuersensor 150, der dem Steuergerät 12 das Signal VCT liefert, ein Messen der relativen Nockenstellung. Die Zähne 1, 2, 3 und 4 werden vorzugsweise zur Messung der Nockensteuerung verwendet und sind gleichmäßig (zum Beispiel in einem zweireihigen V-8 Motor 90 Grad voneinander) beabstandet, während der Zahn 5 wie später hier beschrieben vorzugsweise zur Zylinderidentifikation verwendet wird. Ferner schickt das Steuergerät 12 Steuersignale (LACT, RACT) an (nicht abgebildete) herkömmliche Magnetventile, um das Strömen des Hydrauliköls entweder in die Frühverstellkammer 142, die Spätverstellkammer 144 oder in keine zu steuern.
  • Die relative Nockensteuerung wird unter Verwendung des in U.S. 5,548,995 A beschriebenen Verfahrens, auf die insoweit verwiesen wird, gemessen. Allgemein gesagt liefert die Zeit bzw. der Drehwinkel zwischen der Anstiegsflankensteilheit des PIP-Signals und dem Empfang eines Signals von einem der Vielzahl von Zähnen 138 an dem Gehäuse 136 ein Maß der relativen Nockensteuerung. Für das spezielle Beispiel eines V-8 Motors mit zwei Zylinderreihen und einem Rad mit fünf Zähnen wird ein Maß der Nockensteuerung für eine spezielle Reihe viermal pro Umdrehung erhalten, wobei das Extrasignal für die Zylinderidentifikation verwendet wird.
  • 1B zeigt eine Saugkanaleinspritzungskonfiguration, bei der das Einspritzventil 66B mit dem Ansaugkrümmer 44 statt direkt mit dem Zylinder 30 verbunden ist.
  • 2A zeigt in einem allgemeineren Diagramm den Krümmer 44a mit Einlassmenge m_in und Auslassmenge m_out. Die Einlassmenge m_in wird durch die Steuervorrichtung 170 reguliert. Die Auslassmenge m_out wird durch die Steuervorrichtung 171 reguliert. In einer bevorzugten Ausführung ist der Krümmer 44a ein Einlasskrümmer eines Motors, die Steuervorrichtung 170 ist eine Drosselklappe und die Steuervorrichtung 171 ist ein veränderlicher Nockensteuermechanismus. Wie man jedoch als Fachmann erkennen würde, gibt es viele alternative Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Eine Steuervorrichtung 171 könnte zum Beispiel ein Wirbelsteuerventil, ein veränderlicher Ventilsteuermechanismus, ein veränderlicher Ventilhubmechanismus oder ein elektronisch gesteuertes Einlassventil sein, welches in der nockenlosen Motortechnologie verwendet wird.
  • Gemäß 2A gibt es andere Variablen, die den in den Krümmer 44a gelangenden und aus diesem austretenden Strom beeinflussen. Die Drücke p1 und p2 bestimmen zum Beispiel zusammen mit der Steuervorrichtung 170 die Menge m_in. Analog bestimmen die Drücke p2 und p3 zusammen mit der Steuerungsvorrichtung 171 die Menge m_out. Daher beeinflusst die Mengenspeicherung in dem Krümmer 44a, die bestimmt, wie schnell sich der Druck p2 ändern kann, die Menge m_out. In einem Beispiel, in dem der Krümmer 44a ein Ansaugkrümmer eines stöchiometrisch laufenden Motors ist, stellt die Menge m_out eine in einen Zylinder strömende Menge dar und ist direkt proportional zu dem Motordrehmoment.
  • 2B–2K zeigen die Wirkung derartiger gegenseitiger Abhängigkeiten auf die Systemleistung. In 2B wird die Steuervorrichtung 170 bei Zeit t1 schnell geändert. Die sich ergebende Änderung der Auslassmenge (m_out) wird in 2C gezeigt. Die sich ergebende Änderung der Einlassmenge (m_in) wird in 2D gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Steuervorrichtung 171 fest und stellt daher einen herkömmlichen Motorbetrieb und Betrieb des Stands der Technik dar, bei dem die Drosselklappenstellung der Steuerung der Auslassmenge (m_out) dient. Bei diesem Beispiel erzeugt eine schnelle Änderung der Steuervorrichtung 170 keine ebenso schnelle Änderung der Auslassmenge m_out.
  • Gemäß 2E wird eine Steuervorrichtung 171 zu der Zeit t2 schnell geändert. Die sich ergebende Änderung der Auslassmenge (m_out) wird in 2F gezeigt. Die sich ergebende Änderung der Einlassmenge (m_in) wird in 2G gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Steuervorrichtung 170 fest und stellt daher eine Verstellung allein der Steuervorrichtung 170 zur Steuerung der Auslassmenge (m_out) dar. Bei diesem Beispiel erzeugt eine schnelle Änderung der Steuervorrichtung 170 eine gleichermaßen schnelle Änderung der Austrittsmenge m_out. Doch die schnelle Änderung wird nicht vollständig aufrechterhalten.
  • Gemäß 2H wird die Steuervorrichtung 170 zu der Zeit t3 schnell geändert. Analog wird in 2I die Steuervorrichtung 171 zu der Zeit t3 schnell geändert. Die sich ergebende Änderung der Auslassmenge (m_out) wird in 2J gezeigt. Die sich ergebende Änderung der Einlassmenge (m_in) wird in 2K gezeigt. Bei diesem Beispiel ändern sich die Steuervorrichtung 170 und die Steuervorrichtung gleichzeitig. Bei diesem Beispiel erzeugt eine schnelle Änderung der Steuervorrichtung 170 und der Steuervorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Änderung der Austrittsmenge m_out, wobei die schnelle Änderung aufrechterhalten wird.
  • Gemäß 2L wird die Steuervorrichtung 170 zu der Zeit t4 schnell geändert. Analog wird in 2M die Steuervorrichtung 171 zu der Zeit t4 stärker als in 2I schnell geändert. Die sich ergebende Änderung der Auslassmenge (m_out) wird in 2N gezeigt. Die sich ergebende Änderung der Einlassmenge (m_in) wird in 2O gezeigt. Bei diesem Beispiel ändern sich die Steuervorrichtung 170 und die Steuervorrichtung 170 gleichzeitig. Bei diesem Beispiel erzeugt eine schnelle Änderung der Steuervorrichtung 170 und der Steuervorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Änderung der Austrittsmenge m_out, wobei die schnelle Änderung aufrechterhalten wird und sogar eine gewisse Spitzenmenge bzw. Überschießen erzeugt. Dies zeigt, wie die vorliegende Erfindung nicht nur zur schnellen Erzeugung einer Erhöhung der Auslassmenge, sondern auch für ein zusätzliches Überschießen verwendet werden kann. Somit kann das Steuerungssystem eine Luftdurchsatz-Vorsteuerung erzeugen. Eine derartige Vorsteuerung ist für die Stabilisierung des Motorleerlaufs zum Entgegenwirken einer Motorträgheit oder bei Fahrzeuganfahrbedingungen zwecks eines verbesserten Fahrgefühls vorteilhaft.
  • Dabei ist es durch Verwenden der Steuervorrichtung 171 möglich, die aus dem Krümmer strömende Menge schnell zu steuern. Weiterhin ist es durch Steuern sowohl einer Einlass- als auch einer Auslassseite des Ansaugkrümmers möglich, die aus einem Krümmer in verschiedenen Formen strömende Menge präziser und schnell zu steuern.
  • In Fällen, da der Motor 10 bei einem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis läuft, ist das Motordrehmoment direkt proportional zu der Zylinderfüllung, die wiederum zu der Austrittsmenge m_out und der Motordrehzahl proportional ist. Somit wird durch Regeln des Motorluftdurchsatzes auf einen gewünschten Wert das Motordrehmoment geregelt.
  • Motorleerlaufstabilisierung
  • Unter Bezug auf 3 wird nun ein Ablauf zur Steuerung der Motordrehzahl unter Verwenden der Drosselklappenstellung und der Nockensteuerung beschrieben. Bei Schritt 310 wird ein Motordrehzahlfehler (Nerr) anhand einer Differenz zwischen der erwünschten Motordrehzahl (Ndes) und einer tatsächlichen Motordrehzahl (Nact) berechnet. Dann wird bei Schritt 320 die gewünschte Änderung der Zylinderfüllung aus dem Drehzahlfehler unter Verwendung des Reglers K1 berechnet, wobei der Regler K1 in der Laplace-Domäne als K1 (s) dargestellt wird, wie dies einem Fachmann bekannt ist. Die gewünschte Änderung der Zylinderfüllung (Δmcyl) wird vorzugsweise unter Verwendung eines Proportionalreglers berechnet. Daher stellt in der bevorzugten Ausführung der Regler K1 einen Proportionalregler dar. Wie jedoch ein Fachmann erkennen wird, können an Stelle des Proportionalreglers K1 verschiedene andere Regelschemata verwendet werden. Es können zum Beispiel proportional-integral-differential wirkende Regler oder Schieberegler oder beliebige andere einem Fachmann bekannte Regler verwendet werden. Als Nächstes wird bei Schritt 330 eine Drosselklappen-Zwischenstellung (Tpint) anhand des Drehzahlfehlers und Reglers K3 berechnet. Wie oben beschrieben können verschiedene Regler für den Regler K3 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler K3 ein integraler Regler. Als Nächstes wird bei Schritt 340 eine Nockensteuerabweichung (VCTerr) anhand einer Differenz zwischen einer gewünschten Nockensollstellung (VCTdesnom) und einer Nockeniststellung (VCTdesnom) berechnet. Die gewünschte Nockensollstellung (VCTdesnom) kann anhand Betriebsbedingungen ermittelt werden, zum Beispiel anhand eines Leerlaufbetriebs oder eines Fahrbetriebs. Die gewünschte Nockensollstellung (VCTdesnom) kann auch als Funktion des gewünschten Motordrehmoments eingegeben werden, oder jedes andere dem Fachmann bekannte gleichförmige Ablaufplanungsverfahren. Als Nächstes wird bei Schritt 350 eine Zwischensteuerung (VCTint) anhand der Nockensteuerabweichung und des Reglers K2 berechnet. Der Regler K2 kann jeder der Fachwelt bekannte Regler sein. In der bevorzugten Ausführung ist der Regler K2 ein proportional-integral wirkender Regler.
  • Unter Bezug auf 4 wird nun ein Ablauf zur Berechnung der Verstellungen der Nockensteuerung und der Drosselklappenstellung zur schnellen Änderung der Zylinderfüllung beschrieben. Zuerst wird bei Schritt 410 der Krümmerdruck (Pm) unter Verwendung des Sensors 122 geschätzt oder gemessen. In der bevorzugten Ausführung wird der Krümmerdruck (Pm) mit dem Fachmann bekannten Verfahren geschätzt. Der Krümmerdruck kann zum Beispiel mit dem Signal MAF von einem Luftmassesensor 100, der Motordrehzahl und anderen dem Fachmann bekannten Signalen zur Beeinflussung des Krümmerdrucks geschätzt werden. Als Nächstes wird bei Schritt 412 die gewünschte Änderung der Zylinderfüllung (Δncyl) von 3 abgelesen. Als Nächstes wird bei Schritt 414 eine Änderung der Nockensteuerung (ΔVCT) so ermittelt, dass sie die gewünschte Änderung der Zylinderfüllung bei dem in Schritt 410 abgelesenen Krümmerdruck (Pm) ergibt. Schritt 414 wird unter Verwendung von Kennfeldern bezüglich Nockensteuerung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck durchgeführt. Die Kennfelder können theoretisch mittels Motormodellen ermittelt oder mittels Motortestdaten gemessen werden. Als Nächstes wird bei Schritt 416 eine Änderung der Drosselklappenstellung (ΔTP) ermittelt, um bei dem in Schritt 410 ermittelten Krümmerdruck (Pm) die gewünschte Änderung der Zylinderfüllung (Δncyl) zu geben. Schritt 416 wird unter Verwendung von Motorkennfeldern bezüglich Parametern, Drosselklappenstellung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck analog durchgeführt. Die Kennfelder können entweder unter Verwendung von Motormodellen oder Motortestdaten ermittelt werden.
  • Bezüglich 5 wird der Ablauf zur Berechnung der gewünschten Nockensteuerung und der gewünschten Drosselklappenstellung beschrieben. Zuerst wird bei Schritt 510 ein gewünschter Zylinder, eine gewünschte Nockensteuerung (VCTdes) anhand der gewünschten Änderung der Nockensteuerung und der Zwischennockensteuerung ermittelt. Als Nächstes wird bei Schritt 512 die gewünschte Drosselklappenstellung (TPdes) anhand der Drosselklappen-Zwischenstellung und der gewünschten Änderung der Drosselklappenstellung ermittelt.
  • Wenn jedoch eine Nockensteuerungsstellung erwünscht ist, die größer als eine maximal mögliche Nockensteuerung ist, oder wenn eine minimale Nockensteuerung geringer als eine minimal mögliche Nockensteuerung ist, wird die gewünschte Nockensteuerung (VCTdes) auf den Maximal- bzw. Minimalwert gekürzt. Die Verstellung der Nockensteuerung kann mit anderen Worten eventuell die gewünschte Steigerung oder Senkung der Zylinderluftfüllung nicht erzeugen. In diesem Fall wird die Nockensteuerung auf den erzielbaren Grenzwert gekürzt und man vertraut darauf, dass die Drosselklappenstellung die Steuerung erbringt.
  • Zwangsläufigkeiten bei gleichförmigem Zustand
  • Wie vorstehend unter besonderem Bezug auf 3–5 beschrieben wurde ein Steuerverfahren zur Steuerung des Motorluftdurchsatzes bzw. des Motordrehmoments und somit der Motordrehzahl beschrieben. Das Verfahren umfasste weiterhin ein Verfahren zur schnellen Steuerung der Zylinderfüllung unter Steuerung sowohl einer Einlass- als auch einer Auslassseite des Ansaugkrümmers, wobei die Einlassventile langsam auf eine Sollposition gesteuert wurden. Mittels der 6 und 7 werden diese beiden Vorgänge nun weiter veranschaulicht.
  • Unter Bezug auf 6 wird nun eine Darstellung mit der Drosselklappenstellung (TP) an der vertikalen Achse und der Nockensteuerung (VCT) an der horizontalen Achse gezeigt. Strichpunktierte Linien werden für konstante Werte des Drehmoments (Te) unter Annahme stöchiometrischer Bedingungen gezeigt, während durchgehende Linien einen konstanten Wert des Krümmerdrucks zeigen. Erfindungsgemäß kann der Motor schnell die Betriebspunkte entlang der Linien konstanten Drucks ändern (wodurch der Motorluftdurchsatz und das Drehmoment schnell geändert werden), da es in dieser Richtung keine Krümmerdynamik gibt. Der Motor kann sich jedoch entlang der strichpunktierten Linien nur relativ langsam ändern, wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis fest ist (zum Beispiel bei Stöchiometrie). Die strichtpunktierte Linie stellt die gewünschte Nockensollstellung für die vorgegebenen Betriebsbedingungen dar, zum Beispiel für Leerlaufbedingungen oder für das aktuelle gewünschte Motordrehmoment.
  • Die Krümmerdynamik stellt mit anderen Worten eine mit der Änderung des Krümmerdrucks einhergehende Dynamik dar und veranschaulicht, warum die in den Zylinder strömende Menge nicht immer gleich der in den Ansaugkrümmer strömenden Menge ist. Der Krümmerdruck kann sich aufgrund des Krümmervolumens nicht sofort ändern. Mit zunehmendem Krümmervolumen wird die Krümmerdynamik langsamer. Umgekehrt wird bei abnehmendem Krümmervolumen die Krümmerdynamik schneller. Somit ist die Krümmerdynamik oder Krümmerverzögerung eine Funktion des Krümmervolumens. Wie oben beschrieben ist die Krümmerdynamik im Wesentlichen bedeutungslos, wenn sie sich entlang der Linien konstanten Drucks bewegt. Daher sind Strömungsänderungen nicht durch die Krümmerdynamik beschränkt, wenn die Einlass- und Auslassseite des Krümmers geändert werden, um den Strom in ähnlichen Richtungen zu beeinflussen. Werden die Drosselklappe und das Einlassventil schneller geändert als die Krümmerdynamik zur Steigerung sowohl entlang der Abszisse als auch der Ordinate von 6, ändert sich die Zylindermenge schneller als die Krümmerdynamik. Anders ausgedrückt: die Zylindermenge ändert sich schneller, als sie dies täte, wenn sich nur die Drosselklappe unendlich schnell änderte. Werden Einlass- und Auslassseite des Ansaugkrümmers geändert, um die in entgegengesetzte Richtungen strömenden Mengen zu beeinflussen, kann die Zylinderfüllung konstant gehalten werden. Sowohl die Drosselklappe als auch die Einlassventile werden im Einzelnen langsamer geändert als die Krümmerdynamik, da der Krümmerdruck geändert wird. Dies ist besonders nützlich, wenn der Motorluftdurchsatz oder das Motordrehmoment relativ konstant gehalten werden soll, es aber wünschenswert ist, entweder die Drosselklappe oder die Einlassventile auf eine vorgegebene Position zu fahren.
  • Unter Bezug auf die beiden 6 und 7 wird nun ein Beispiel des Betriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst wird das System bei Punkt 1 betrieben. Das gewünschte Motordrehmoment (Ted) ist zum Beispiel Te2, bzw. ist zufällig das Motordrehmoment zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Motordrehzahl. Dann ändert sich entweder das gewünschte Motordrehmoment (Ted) zu Te3 oder eine Drehmomentstörung bewirkt ein Sinken der Motordrehzahl, wodurch eine Erhöhung des Drehmoments auf Te3 zur Aufrechterhaltung der gewünschten Motordrehzahl erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt (Zeit t5) bewirkt das Steuergerät 12, dass sich sowohl die Drosselklappenstellung als auch die Nockensteuerung so ändern, dass sich die Motoranlage schnell zu Punkt 2 bewegt. Um die Nockensteuerung und die Sollnockensteuerung aufrecht zu halten, veranlasst das Steuergerät 12 als Nächstes sowohl die Drosselklappenstellung als auch die Nockensteuerung zur Bewegung zu Punkt 3 bei einer Geschwindigkeit unter der der Krümmerdynamik.
  • Somit werden erfindungsgemäß die Drosselklappenstellung und die Nockensteuerung veranlasst, sich auf folgende Weise zu bewegen. Wenn eine schnelle Zunahme der Zylinderluftfüllung unabhängig vom Krümmervolumen erwünscht ist: 1) die Drosselklappenstellung bewegt sich in einer Weise, die eine Zunahme der Drosselklappenöffnungsfläche bewirkt, und 2) die Nockensteuerung wird in einer Weise berichtigt, dass die angesaugte Zylinderluftfüllung bei einem vorgegebenen Krümmerdruck zunimmt. Wenn es erwünscht ist, die Zylinderluftfüllung unabhängig vom Krümmervolumen schnell zu senken, gilt analog: 1) die Drosselklappenstellung bewegt sich in einer Weise, die eine Abnahme der Drosselklappenöffnungsfläche bewirkt, und 2) die Nockensteuerung wird in einer Weise berichtigt, so dass die angesaugte Zylinderluftfüllung bei einem vorgegebenen Krümmerdruck abnimmt. Somit ist es möglich, durch dieses kombinierte Vorgehen die in den Zylinder strömende Menge schnell zu indem und zu halten.
  • Wenn es jedoch erwünscht ist, die Zylinderluftfüllung zu halten und entweder die Drosselklappenöffnung zu vergrößern oder die Nockensteuerung zu einer Bewegung zu veranlassen, so dass weniger Luftfüllung bei einem vorgegebenen Krümmerdruck angesaugt wird, oder beides, dann: 1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, die eine Zunahme der Drosselklappenöffnungsfläche bewirkt, und 2) wird die Nockensteuerung auf solche Weise berichtigt, dass die bei einem vorgegebenen Krümmerdruck angesaugte Zylinderluftfüllung abnimmt. Somit kann die Zylinderfüllung durch diese entgegengesetzte Wirkung konstant gehalten werden. Wenn es alternativ erwünscht ist, die Zylinderluftfüllung zu halten und entweder die Drosselklappenöffnung zu verringern oder eine Bewegung der Nockensteuerung zu bewirken, so dass mehr Luftfüllung bei einem vorgegebenen Krümmerdruck angesaugt wird, oder beides, dann: 1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, die eine Abnahme der Drosselklappenöffnungsfläche bewirkt, und 2) wird die Nockensteuerung auf solche Weise berichtigt, dass die bei einem vorgegebenen Krümmerdruck angesaugte Zylinderluftfüllung zunimmt. Somit kann die Zylinderfüllung durch diese entgegengesetzte Wirkung wiederum konstant gehalten werden.
  • Eine derartige koordinierte Steuerung ist vorteilhaft, da Optimierungszwangsläufigkeiten des gleichförmigen Zustands bei der Nockensteuerung erzeugt werden können, dabei aber immer noch die Möglichkeit der schnellen Steuerung der Zylinderluftfüllung gegeben wird.
  • Motordrehmomentsteuerung
  • Unter Bezug auf 8 wird nun ein Ablauf zur Steuerung des Motordrehmoments statt der in 3 beschriebenen Motordrehzahl beschrieben. Die erfindungsgemäße Motordrehmomentsteuerung kann aus verschiedenen Gründen verwendet werden, zu denen normaler Fahrbetrieb, Antriebsschlupfregelung und/oder Tempomat gehören. 8 kann mit anderen Worten zusammen mit 3–5 zur Steuerung des Motordrehmoments verwendet werden, wobei die Schritte 310–330 durch 8 ersetzt werden. Bezüglich 8 wird zuerst in Schritt 810 ein gewünschtes Motordrehmoment (Ted) ermittelt. Der Fachmann wird erkennen, dass das gewünschte Motordrehmoment (Ted) auf verschiedene Weisen ermittelt werden kann. Das gewünschte Motordrehmoment (Ted) kann zum Beispiel aus dem gewünschten Raddrehmoment und Übersetzung, aus Pedalstellung und Fahrzeuggeschwindigkeit, aus Pedalstellung und Motordrehzahl oder einem anderem dem Fachmann bekannten Verfahren ermittelt werden. Dann wird bei Schritt 820 die gewünschte Zylinderfülllung (mcyld) anhand einer Funktion (h) des gewünschten Motordrehmoments (Ted) ermittelt. Die Funktion (h) beruht auf einem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis, beispielsweise stöchiometrischen Bedingungen.
  • Weiter mit 8 wird bei Schritt 830 eine gewünschte Änderung der Zylinderfüllung (Dmcyl) anhand der Differenz zwischen der gewünschten Zylinderfüllung (mcyld) und der tatsächlichen Zylinderfüllung (mcyl) ermittelt. Dann wird in Schritt 840 die Drosselklappen-Zwischenstellung (Tpint) anhand der gewünschten Änderung der Zylinderfüllung (Dmcyl) und des Reglers K3 berechnet. Wie oben beschrieben können verschiedene Regler für den Regler K3 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler K3 ein integraler Regler. Als Nächstes wird bei Schritt 850 eine Nockensollstellung (VCTdesnom) anhand der Funktion (g) und des gewünschten Motordrehmoments (Ted) ermittelt. Dann fährt der Ablauf mit Schritt 340 in 3 fort.
  • Alternative Ausführung für die Steuerung von Zylinderfüllung, Drehmoment und Motordrehzahl
  • Nun wird eine alternative Ausführung beschrieben, die zur Steuerung entweder der Zylinderluftfüllung, des Motordrehmoments bei einem vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnis oder der Motordrehzahl verwendet werden kann. Unter Bezug auf 9 wird nun bei Schritt 910 eine Ermittlung durchgeführt, ob der Motor sich derzeit in Leerlauf befindet. Der Fachmann wird verschiedene Verfahren zur Ermittlung von Leerlaufbedingungen kennen, beispielsweise Gaspedalstellung, Motordrehzahl und verschiedene andere Faktoren. Wenn die Antwort auf Schritt 910 JA lautet, fährt der Ablauf mit Schritt 912 fort. Bei Schritt 912 beruht die gewünschte Zylinderfüllung (mcyldes) auf einem Motordrehzahlfehler (Nerr). Die gewünschte Zylinderfüllung wird mittels Funktion L1 berechnet, die für jede Funktion stehen kann, beispielsweise Motordrehzahlfehler multipliziert mit einer konstanten Zunahme, was die bevorzugte Ausführung ist. Wenn andernfalls die Antwort auf Schritt 910 NEIN lautet, fährt der Ablauf mit Schritt 914 fort. Bei Schritt 914 wird die gewünschte Zylinderfüllung anhand entweder eines Fahrerbefehls oder von Betriebsbedingungen unter Verwendung von Funktion (L2) berechnet. Der Fachmann kennt verschiedene Verfahren zur Berechnung einer gewünschten Zylinderfüllung aus einem Fahrerbefehl, um beispielsweise ein gewünschtes Motordrehmoment, ein gewünschtes Raddrehmoment, eine Motorleistung oder eine andere vom Fahrer verlangte Bedingung zu erzeugen. Der Fachmann kennt auch verschiedene Betriebsbedingungen, die eine gewünschte Zylinderfüllung beeinflussen können, zum Beispiel Motorstartbedingungen, Kaltbedingungen oder Anlassbedingungen.
  • Weiter mit 9 fährt der Ablauf entweder mit Schritt 912 oder mit Schritt 914 bis 916 fort. Bei Schritt 916 wird ein Zylinderfüllungsfehler (Mcylerr) anhand einer gewünschten Zylinderfüllung und einer tatsächlichen Zylinderfüllung (mcylact) berechnet. Als Nächstes wird bei Schritt 918 der Nockensteuerungssollfehler berechnet. Als Nächstes wird bei Schritt 920 die Nockenstellung anhand des Nockensteuerungssollfehler und des Reglers H1 berechnet. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler H1 ein integraler Regler, der dem Fachmann bekannt ist. In einer bevorzugten Ausführung werden ferner die Verstärkungen des Reglers H1 so bestimmt, dass die Nockensteuerung langsamer als die Krümmerdynamik eingestellt ist. Die Verstärkungen des Reglers H1 werden mit anderen Worten anhand des Krümmervolumens und der Motordrehzahl ermittelt. Der Regler H1 kann jedoch jeder dem Fachmann bekannte Regler sein, beispielsweise ein PID-Regler, ein PI-Regler oder ein P-Regler. Als Nächstes wird bei Schritt 930 die Drosselklappen-Zwischenstellung anhand des Zylinderfüllungsfehlers und des Reglers H2 berechnet. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler H2 ein integraler Regler; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass verschiedene Regler verwendet werden können. Als Nächstes wird in Schritt 940 eine Differenz der Nockensteuerung anhand des Zylinderfüllungsfehlers und des Reglers H3 berechnet. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler H3 ein Vorregler oder ein Hochpass-Filterregler. Als Nächstes geht der Ablauf zu Schritt 950, wo eine Differenz der Drosselklappenstellung aus der Differenz der Nockensteuerung mittels des Reglers H4 berechnet wird. In einer bevorzugten Ausführung ist der Regler H4 einfach eine konstante Verstärkung. Als Nächstes fährt der Ablauf mit 5 fort.
  • Luft-/Kraftstoffzwangsläufigkeiten bei mageren Bedingungen
  • Unter Bezug auf 10 wird ein Ablauf zur Beschränkung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses auf bestimmte Bereiche beschrieben. Bei Schritt 1010 erfolgt eine Ermittlung, ob der Motor im Schichtbetrieb läuft. Wenn die Antwort auf Schritt 1010 JA lautet, fährt der Ablauf mit Schritt 1012 fort. Bei Schritt 1012 wird die erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge (fi) anhand von Fahrerbefehlen oder Betriebsbedingungen berechnet. Der Fachmann wird wiederum verschiedene Verfahren zur Ermittlung einer Kraftstoffeinspritzmenge anhand eines Fahrerbefehls oder von Motorbetriebsbedingungen kennen. Als Nächstes fährt der Ablauf mit Schritt 1014 fort, wo ein beschränkter Luftbereich berechnet wird. Der beschränkte Luftbereich wird mittels eines maximal und minimal zulässigen Luft-/Kraftstoffverhältnisses, der Kraftstoffeinspritzmenge und eines Bandparameters (B) berechnet. Der Bandparameter dient dazu, Raum bei rechnerischen Ungenauigkeiten zu bieten. Als Nächstes fährt der Ablauf mit Schritt 1016 fort, wo eine Ermittlung erfolgt, ob die tatsächliche Zylinderfüllung zwischen den maximal und minimal zulässigen Zylinderfüllungen (mcyl1, mcyl2) liegt. Wenn die Antwort auf Schritt 1016 JA lautet, erfolgt bei Schritt 1018 eine Ermittlung, ob es bei den aktuellen Betriebsbedingungen möglich ist, die Luftfüllung (mcyl1) zu erzeugen. Diese Ermittlung kann anhand von Faktoren wie Motordrehzahl und Atmosphärendruck erfolgen. Bei steigendem Atmosphärendruck ist der Motor 10 insbesondere in der Lage, eine größere maximale Luftmenge zu pumpen. Daher wird in einer bevorzugten Ausführung der Grenzwert mcyl1 gewählt, wenn der Atmosphärendruck größer als ein kalibrierter Wert ist, und ansonsten wird mcyl2 gewählt. Bei Schritt 1018 erfolgt mit anderen Worten eine Ermittlung, ob der Motor eine obere Luftfüllung (mcyl1) physikalisch tatsächlich erzeugen kann. Wenn die Antwort auf Schritt 1018 NEIN lautet, setzt der Ablauf bei Schritt 1020 die gewünschte Zylinderfüllung (mcyldes) gleich der niedrigeren Luftfüllung (mcyl2). Ansonsten wird die gewünschte Zylinderfüllung auf die obere Zylinderfüllung (mcyl1) gesetzt.
  • Unter Bezug auf 11 wird nun die vorliegende Erfindung hinsichtlich der Steuerung des Motordrehmoments oder das Halten eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses außerhalb eines beschränkten Luft-/Kraftstoffverhältnisbereichs mit Vorgehen des Stands der Technik verglichen. Die 11a bis 11f zeigen einen Vergleich der vorliegenden Erfindung, dargestellt durch durchgehende Linien, und Vorgehensweisen des Stands der Technik, dargestellt durch Strichlinien. Bei den Vorgehensweisen des Stands der Technik, dargestellt in 11a, nimmt die Kraftstoffeinspritzmenge bei Zeitpunkt T6 in Reaktion auf eine Änderung des in 11d gezeigten gewünschten Motordrehmoments zu. Um das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei einem gewünschten Punkt zu halten, wie in 11e gezeigt, ist ein größerer Luftdurchsatz erforderlich. Zur Erzeugung eines größeren Luftdurchsatzes ändern Vorgehensweisen des Stands der Technik die Drosselklappenstellung, wie in 11c gezeigt, zu Zeitpunkt T6. Aufgrund der durch das Krümmervolumen bedingten Luftdurchsatzdynamik nimmt aber die Luftfüllung nicht schnell genug zu, wie in 11f gezeigt. Dies führt zu einem zeitweiligen Auswandern des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in den beschränkten Bereich, wie in 11e gezeigt. Somit können die Vorgehensweisen des Stands der Technik nicht das Luft-/Kraftstoffverhältnis völlig aus dem beschränkten Bereich heraushalten.
  • Wie in 10 beschrieben, wird bei Zeitpunkt T6 die Nockenverstellung, wie in 11b gezeigt, ebenfalls erhöht. Dies ermöglicht es dem Luft-/Kraftstoffverhältnis, wie in 11e gezeigt, ein Eindringen in den beschränkten Luft-/Kraftstoffbereich zu unterlassen. Dies ist möglich, da der Luftdurchsatz schnell mittels der Nockensteuerung und der Drosselklappenstellung, wie in 11f durch die durchgehende Linie gezeigt, geändert wurde.
  • Fahrzeuganfahrverbesserung
  • Das Fahrverhalten des Fahrzeugs wird durch Erzeugen von Motordrehmomentsteigerungen bei einer Geschwindigkeit, die höher als bei Verfahren des Stands der Technik ist, verbessert. Bezüglich 12 ist der Motor 10 über den Drehmomentwandler (TC) 1210 mit dem automatischen Getriebe (AT) 1200 verbunden. Das automatische Getriebe (AT) 1200 ist mit der Antriebswelle 1202 verbunden dargestellt, welche wiederum mit der Achsantriebsvorrichtung (FD) 1204 verbunden ist. Die Achsantriebsvorrichtung (FD) ist über die zweite Antriebswelle 1208 mit dem Rad 1208 verbunden. In dieser Konfiguration kann der Motor 10 etwas in der Größe verringert werden und immer noch durch Steuern des Motordrehmoments und des Luftdurchsatzes mittels der oben beschriebenen Drosselklappenstellung und der Nockenverstellung ein annehmbares Fahrgefühl bieten.
  • Bei 13 wird auf den Drehmomentwandler 1210 verzichtet. Somit wird auch ohne Verkleinerung des Motors 10 unter Verwendung von Vorgehensweisen des Stands der Technik das Fahrverhalten verschlechtert. Das Anfahren des Fahrzeugs ist mit anderen Worten normalerweise von der von dem Drehmomentwandler 1210 vorgesehenen Drehmomentmultiplikation unterstützt. Ohne Drehmomentwandler 1210 ist das Fahrzeuganfahrgefühl verschlechtert. Zum Ausgleich des fehlenden Drehmomentwandlers 1210 wird der Motor 10 mittels der Drosselklappenstellung und der Nockenverstellung gesteuert, um das Motordrehmoment bzw. den Luftdurchsatz schnell zu erhöhen, wodurch das Fahrgefühl verbessert wird und ein Verzicht auf den Drehmomentwandler 1210 möglich wird.
  • In einer bevorzugten Ausführung werden während des Fahrzeuganfahrens bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit und geringer Motordrehzahl sowohl die Einlass-Steuervorrichtung 170 als auch die Auslass-Steuervorrichtung 171 koordiniert, um die Motorzylinderfüllung schnell zu steuern, wodurch das Fahrgefühl verbessert wird. Zur Ermöglichung eines derartigen Betriebs wird ferner die Nockensollstellung (VCTdesnom) auf einen Wert gesetzt, bei dem eine große Zunahme der Zylinderluftfüllung erreicht werden kann, wenn das Getriebe auf Fahrt gestellt ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit liegt, die das Potential eines Fahrzeuganfahrens anzeigt.
  • Turboverzögerungskompensation
  • Bei 14 wird nun eine Konfiguration gezeigt, bei der der Motor 10 mit einer Verdichtungsvorrichtung 1400 verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführung ist die Verdichtungsvorrichtung 1400 ein Turbolader. Die Verdichtungsvorrichtung 1400 kann jedoch jede Verdichtungsvorrichtung sein, beispielsweise ein Lader. Der Motor 10 wird mit dem Ansaugkrümmer 44b und dem Auspuffkrümmer 48b verbunden dargestellt. Ferner wird die Steuervorrichtung 171 zwischen dem Ansaugkrümmer 44b und dem Motor 10 angeschlossen gezeigt. Die Steuervorrichtung 170 ist ebenfalls zwischen dem Ansaugkrümmer 44b und der Verdichtungsvorrichtung 1400 angeschlossen gezeigt. Die Verdichtungsvorrichtung 1400 enthält den Verdichter 1410.
  • Dabei ist es nun möglich, durch eine Turboverzögerung bedingte Verzögerungen auszugleichen. In einer bevorzugten Ausführung werden während des Fahrzeuganfahrens bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit und niedriger Motordrehzahl sowohl die Steuervorrichtung 170 als auch die Steuervorrichtung 171 koordiniert, um die Motorzylinderfüllung schnell zu steuern, wodurch der verzögerte Druckaufbau von der Verdichtungsvorrichtung 1400 ausgeglichen wird. Ein derartiges Vorgehen kann jedoch bei verschiedenen Fahrbedingungen verwendet werden, wie zum Beispiel bei konstanter Fahrt auf Landstraßen.
  • Die Erfindung wurde in ihren bevorzugten Ausführungen gezeigt und beschrieben, doch ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass viele Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann wie hier vorstehend beschrieben jede Vorrichtung, die die aus dem Ansaugkrümmer 44 und in den Zylinder 30 strömende Menge beeinflusst, an Stelle der Nockenverstellvorrichtung verwendet werden. Es können zum Beispiel ein Wirbelsteuerventil, ein Füllungsbewegungssteuerventil, ein Ansaugkrümmerlaufsteuerventil, ein elektronisch gesteuertes Einlassventil erfindungsgemäß verwendet werden, um die Frischladung des Zylinders schnell zu ändern. Weiterhin kann jede Vorrichtung, die die in den Ansaugkrümmer 44 strömende Menge beeinflusst, an Stelle der Drosselklappe verwendet werden. Es können zum Beispiel ein Abgasrückführventil, ein Spülungssteuerventil, ein Ansaugluftumgehungsventil in Verbindung mit der Auslass-Steuervorrichtung verwendet werden, um die Frischladung des Zylinders schnell zu ändern.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Steuern der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen Zylinder (30), einen Einlaßkrümmer (44), ein Einlaßventil (52), dessen Ventilhub von einem variablen Ventiltrieb steuerbar ist, eine mit dem Einlaßkrümmer (44) verbundene Drosselklappe (62) sowie eine Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator (70) und einem Abgas-Sauerstoffsensor (76) aufweist, wobei eine in den Zylinder strömende Soll-Luftmenge bestimmt wird und in Abhängigkeit von der Soll-Luftmenge der Ventilhub des Einlaßventils (52) verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (62) in Abhängigkeit eines zuvor bestimmten Drucks im Einlaßkrümmer (44) verstellt wird, und daß Kraftstoff anhand eines Signals von dem Abgas-Sauerstoffsensor (76) direkt in den Zylinder (30) eingespritzt wird, um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis während einer stöchiometrischen Betriebsart auf einem stöchiometrischen Wert zu halten.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem zusätzlich zur Verstellung der Drosselklappe (62) der Ventilhub des Einlaßventils (52a, b) in Abhängigkeit des zuvor bestimmten Drucks im Einlaßkrümmer (44) verstellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ventilhub des Einlaßventils (52a, b) anhand einer Abweichung einer ermittelten, in den Zylinder (30) strömenden Ist-Luftmenge von der Soll-Luftmenge verstellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das direkte Einspritzen von Kraftstoff ferner das direkte Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder während des Ansaugtaktes umfaßt, so daß ein im wesentlichen homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
  5. Vorrichtung zum Steuern der Zylinderbefüllung eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen Zylinder (30), einen Einlasskrümmer (44), ein Einlassventil (52a, b), dessen Ventilhub von einem variablen Ventiltrieb steuerbar ist, eine mit dem Einlasskrümmer (44) verbundene Drosselklappe (62) sowie eine Abgasanlage mit einem Dreiwegekatalysator (70) und einem Abgas-Sauerstoffsensor (76) aufweist, wobei eine in den Zylinder (30) strömende Soll-Luftmenge bestimmbar ist und der Ventilhub des Einlassventils (52) in Abhängigkeit von der Soll-Luftmenge verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (62) von einem Steuergerät (12) in Abhängigkeit eines zuvor bestimmten Drucks im Einlasskrümmer (44) verstellbar ist, und dass ein von dem Steuergerät (12) ansteuerbares Kraftstoffeinspritzventil (66a) zum Einspritzen von Kraftstoff anhand eines Signals von dem Abgas-Sauerstoffsensor (76) direkt in den Zylinder hinein vorgesehen ist, um das durchschnittliche Luft-/Kraftstoffverhältnis während einer stöchiometrischen Betriebsart auf einem stöchiometrischen Wert zu halten.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem sich der Sauerstoffsensor (76) stromaufwärts von dem Dreiwegekatalysator (70) befindet.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5–6, bei dem das Steuergerät (12) den Ventilhub des Einlaßventils (52a, b) in Abhängigkeit des zuvor bestimmten Drucks im Einlaßkrümmer (44) verstellt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5–7, bei dem das Steuergerät (12) die Drosselklappe anhand einer Diskrepanz zwischen der Soll-Luftmenge und einer ermittelten Luftmenge einstellt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5–8, bei dem der Motor ein V-Motor mit zwei Zylinderreihen ist.
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