DE10066185B4 - Verfahren und Steuervorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines Motors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Motors, der mindestens einen Zylinder (30), einen Einlasskrümmer (44), eine Einlasssteuervorrichtung (62, 120) zum Steuern des in den Einlasskrümmer (44) eintretenden Stroms sowie eine Auslasssteuervorrichtung (52, 171) mit einem variablen Ventilhub zum Steuern des Stroms von dem Einlasskrümmer (44) in den Zylinder (30), eine Abgasanlage (48) mit einem Dreiwegekatalysator (70) und einen Abgas-Sauerstoffsensor (76) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer gewünschten Motordrehzahl; Ändern des Ventilhubs zum Regeln der Motordrehzahl auf die gewünschte Motordrehzahl; direktes Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder anhand eines Signals von dem Abgas-Sauerstoffsensor (76), um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einem stöchiometrischen Wert zu halten, wobei die Einlasssteuervorrichtung (62, 120) anhand einer Abweichung zwischen der gewünschten Motordrehzahl und einer ermittelten Motordrehzahl eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines Motors.
  • Ein Fahrzeugmotor verwendet typischerweise einen Leerlaufdrehzahlsteuermodus, wenn die Motordrehzahl auf einen gewünschten Wert eingestellt ist, solange das Fahrzeug steht oder langsam fährt und der Fahrer kein Antriebsmoment anfordert. Im Leerlaufzustand ist es wünschenswert, die Leerlaufdrehzahl konstant zu halten, was den Fahreindruck des Fahrers verbessert. Um die Motordrehzahl konstant zu halten, sollte die Leerlaufdrehzahlsteuerung Motordrehzahlstörungen aus verschiedenen Quellen, wie z. B. Klimatisierungssystemen, Servolenkungssystemen, Änderungen der Umweltbedingungen oder Änderungen in beliebigen anderen Vorrichtungen, die die Motordrehzahl beeinflussen, ausschließen.
  • Ein Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl und Aufrechterhaltung einer gewünschten Drehzahl verwendet Zündzeitpunkt, Drosselklappenstellung oder eine Kombination von beiden. Bei einem System wird eine Drehmomentreserve in der Weise genutzt, dass es möglich ist, das Motordrehmoment unter Verwendung der Zündverstellung zu steigern, womit die Motordrehzahl rasch gesteuert wird. Ein Beispiel eines die Zündverstellung nutzenden Systems wird in der US 5765527 A offengelegt.
  • Die Erfinder haben bei den obigen Ansätzen mehrere Nachteile erkannt. Insbesondere liegt ein Nachteil der Nutzung der Drosselklappenstellung darin, dass die Drosselklappe das Motordrehmoment nicht rasch ändern kann, da sie den in den Einlasskrümmer eintretenden Strom steuert. Eine Steuerung des in den Krümmer eintretenden Stroms kann aufgrund des Krümmervolumens die Zylinderladung nicht rasch steuern. Beispielsweise nimmt bei sofortiger Schließung der Drosselklappe die Zylinderluftfüllung nicht unmittelbar auf null ab. Der Motor muss die in dem Krümmer gespeicherte Luft abpumpen, was eine gewisse Zahl von Umdrehungen erfordert. Demzufolge nimmt die Zylinderluftfüllung graduell gegen null ab.
  • Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Ansätzen bezieht sich auf die Zündverstellung. Insbesondere sollte zur Optimierung des Verbrauchsverhaltens die Zündverstellung der MBT-Regelung (MBT = geringste Vorzündung für bestes Drehmoment) entsprechen (Zündzeitpunktregelung für maximales Drehmoment). Jedoch bewirkt bei MBT die Anpassung des Zündzeitpunkts in einer be-liebigen Richtung eine Abnahme des Motordrehmoments und eine Verschlechterung des Verbrauchsverhaltens. Wenn also das Verbrauchsverhalten optimiert wird, können Lastmomente nicht unterdrückt werden, denn die Zündverstellung kann das Motordrehmoment nur mindern. Um in der Lage zu sein, die Zündverstellung sowohl in der positiven wie auch in der negativen Richtung zu verwenden, muss der Zündzeitpunkt vom MBT-Zeitpunkt entfernt gesetzt werden. Dies erlaubt eine rasche Motorsteuerung, dies aber auf Kosten verschlechterten Verbrauchsverhaltens.
  • Aus der DE 19847851 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem zur Minimierung von Pumpverlusten vorgeschlagen wird, in einem Teillastbereich die Drosselklappe weiter zu öffnen als an sich notwendig und die Luftmenge über Veränderung der Ventilschließzeitpunkte bzw. des Ventilhubbetrags zu steuern.
  • Aus der DE 19731373 A1 ist es bekannt, die Öffnungs- und Schließzeiten eines Einlass-/Auslassventils entsprechend der Differenz zwischen der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit und einer Zielleerlaufgeschwindigkeit zu ändern, um den Luftfluss in den Motor zu ändern.
  • Aus der EP 0893596 A2 ist weiterhin ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung bekannt, bei dem die Überlappung der Öffnungszeiten der Einlass- und Auslassventile variiert werden kann, um wahlweise im Zylinder eine homogene Gemischbildung oder eine geschichtete Gemischbildung zu erzielen.
  • Ferner ist aus der DE 19501386 A1 ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem die Öffnungsfunktion des Einlassventiles sowohl in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals als auch in Abhängigkeit von weiteren Betriebsgrößen umfassend die Drehzahl, die Temperatur der Brennkraftmaschine und Ladedruck gesteuert wird. Das Einlassventil wird hierbei von zwei mit gleicher Drehzahl umlaufenden Nocken betätigt, deren Phasenlage zueinander verstellt werden kann.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist eine rasche Steuerung der Motordrehzahl auf einen gewünschten Motordrehzahlwert, während gleichzeitig das Verbrauchsverhalten optimiert wird.
  • Das obige Ziel wird erreicht, und die Nachteile früherer Ansätze werden überwunden durch ein Verfahren zur Steuerung des Luftstroms in einem Motor nach der Merkmalskombination des Anspruchs 1 sowie eine Steuervorrichtung nach Anspruch 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Unter Verwendung einer Auslassregelvorrichtung, die den aus dem Krümmer austretenden (und in den Zylinder eintretenden) Strom steuert, ist es möglich, Motordrehmoment und Motordrehzahl trotz der Reaktionsverzögerungen des durch den Ansaugkrümmer geführten Luftstroms rasch zu ändern. Mit anderen Worten kann eine rasche Veränderung der Zylinderfüllung erreicht werden, wodurch eine rasche Veränderung des Zylinder-Luft-/Kraftstoffverhältnisses ermöglicht wird und gleichzeitig Störungen beim Motordrehmoment verhindert werden.
  • Ein Vorteil des obigen Merkmals der Erfindung liegt darin, dass die Motordrehzahl genauer auf eine gewünschte Motordrehzahl eingestellt werden kann, ohne dass es zu einer Verschlechterung des Verbrauchsverhaltens kommt.
  • Dabei ist vorgesehen, dass das Verfahren zur Steuerung der Drehzahl des Motors, welcher mindestens einen Zylinder, den genannten Ansaugkrümmer, die genannte Auslassregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms aus dem Ansaugkrümmer in der Zylinder und auch eine Einlassregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms in den Ansaugkrümmer besitzt, aufweist: Erzeugung einer gewünschten Motordrehzahl und Veränderung sowohl der Auslassregelvorrichtung als auch der Einlassregelvorrichtung auf der Grundlage der Motordrehzahl und der genannten gewünschten Motordrehzahl sowie als Reaktion auf eine jeweilige Steuerung der Auslassregelvorrichtung und der Einlassregelvorrichtung.
  • Durch Veränderung sowohl der Einlassregel- wie auch der Auslassregelvorrichtung ist es möglich, das Motordrehmoment und die Motordrehzahl trotz der Reaktionsverzögerungen des durch den Ansaugkrümmer geführten Luftstroms rasch zu ändern. Da die Zylinderluftfüllung rasch geändert werden kann, kann die Veränderung beim Luft-/Kraftstoffverhältnis kompensiert werden, und abrupte Veränderungen des Motordrehmoments können vermieden werden. Mit anderen Worten steuert die Erfindung die Ströme im Ansaug- und im Auspuffkrümmer in einer koordinierten Weise, um eine schnelle Veränderung der Motordrehzahl unabhängig vom Krümmervolumen zu erreichen. Diese rasche Veränderung der Zylinderluftfüllung erlaubt es, dass Drehmomentstörungen rasch unterdrückt werden, ohne dass eine Zündzeitpunktdrehmomentreserve genutzt wird.
  • Ein Vorteil des vorstehenden Merkmals der Erfindung liegt darin, dass nachhaltige Drehmomentstörungen unterdrückt werden können.
  • Ein weiterer Vorteil des vorstehenden Merkmals der Erfindung liegt darin, dass unter Verwendung sowohl einer Auslass- wie auch einer Einlassregelvorrichtung eine kontrolliertere rasche Veränderung bei Motordrehmoment und Motordrehzahl möglich wird.
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen
  • 1A und 1B: Blockdiagramme einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
  • 2A: ein Blockdiagramm einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
  • 2B bis 2O: Graphiken mit der Beschreibung des Betriebs der Ausführungsform in 2A;
  • 3 bis 5, 8 bis 10: auf hohe Leistung bezogene Flussdiagramme, die einen Teil des Betriebs der in den 1A, 1B und 2A gezeigten Ausführungsform der Erfindung ausführen;
  • 6: eine Graphik mit der Darstellung, wie verschiedene Faktoren mit dem Motorbetrieb nach der Erfindung verbunden sind;
  • 7: eine Graphik mit der Darstellung der Ergebnisse bei Verwendung der Erfindung;
  • 11A bis 11F: Graphiken mit der Beschreibung des Betriebs einer Ausführungsform der Erfindung, und
  • 12 und 14: Blockdiagramme einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird.
  • Ein fremdgezündeter Innenverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung 10, welcher eine Mehrzahl von Verbrennungsräumen aufweist, wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. In 1A wird ein Verbrennungsraum 30 des Motors 10 gezeigt, welcher Verbrennungsraumwände 32 mit darin eingesetztem Kolben 36 umfasst, welcher mit der Kurbelwelle 40 verbunden ist. Bei diesem besonderen Beispiel weist der Kolben 36 eine (nicht gezeigte) Aussparung oder Mulde auf, um die Bildung von geschichteten Füllungen von Luft und Kraftstoff zu unterstützen. Der Verbrennungsraum oder der Zylinder 30 wird so dargestellt, dass er über jeweilige (nicht gezeigte) Einlassventile 52a und 52b und (nicht gezeigte) Auslassventile 54a und 54b mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Auspuffkrümmer 48 verbunden ist. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 66A wird so dargestellt, dass sie direkt mit dem Verbrennungsraum 30 verbunden ist, um in diesen entsprechend der Pulsbreite eines vom Steuergerät 12 über einen konventionellen elektronischen Treiber 68 erhaltenen Signals fpw flüssigen Kraftstoff direkt einzuspritzen. Der Kraftstoff wird der Einspritzdüse 66A durch ein (nicht gezeigtes) an sich bekanntes Hochdruckkraftstoffsystem geliefert, das einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoffleitung aufweist.
  • Der Ansaugkrümmer 44 wird als über eine Drosselklappe 62 mit einem Drosselklappenkörper 58 in Verbindung stehend gezeigt. In diesem besonderen Beispiel ist die Drosselklappe 62 in der Weise mit einem Elektromotor 94 verbunden, dass die Position der Drosselklappe 62 vom Steuergerät 12 über den Elektromotor 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird allgemein als elektronisches Gaspedal (ETC) bezeichnet, welches auch zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl genutzt wird. In einem (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsbeispiel, das dem Fachmann an sich bekannt ist, wird parallel zur Drosselklappe 62 ein Bypass-Luftkanal angeordnet, um während der Leerlaufregelung einen aufgebauten Luftstrom über ein innerhalb des Luftdurchlassweges angeordnetes Drosselklappen-Steuerventil zu steuern. Der Abgassauerstoffsensor (EGOS) 76 wird so dargestellt, dass er stromab des Katalysators 70 mit dem Auspuffkrümmer 78 verbunden ist. In diesem besonderen Beispiel liefert der Sensor 76 ein EGO-Signal an das Steuergerät 12, das das EGO-Signal in ein Zweistufensignal EGOS umwandelt. Ein Zustand hoher Spannung des EGOS-Signals gibt an, dass die Auspuffgase fetter sind als das stöchiometrische Gemisch, und ein Niederspannungszustand des EGOS-Signals gibt an, dass die Auspuffgase magerer sind als das stöchiometrische Gemisch. Das EGOS-Signal wird vorteilhafterweise in an sich bekannter Weise für die Rückmeldungs-Luft-/Kraftstoffgemischsteuerung genutzt, um das durchschnittliche Luft-/Kraftstoffgemisch während des stöchiometrischen homogenen Funktionsmodus beim stöchiometrischen Verhältnis zu halten.
  • Ein an sich bekanntes kontaktloses Zündsystem 88 liefert entsprechend dem Vorzündungssignal SA aus dem Steuergerät 12 über eine Zündkerze 92 den Zündfunken an den Verbrennungsraum 30.
  • Indem es den Einspritzzeitpunkt steuert bewirkt das Steuergerät 12, dass der Verbrennungsraum 30 entweder in einer homogenen Luft-/Kraftstoffgemischbetriebsart oder in einer geschichteten Luft-/Kraftstoffgemischbetriebsart arbeitet. In der geschichteten Betriebsart aktiviert das Steuergerät 12 die Einspritzdüse 66A während des Verdichtungshubs des Motors in der Weise, dass Kraftstoff direkt in die Mulde des Kolbens 36 eingespritzt wird. Somit werden stratifizierte Luft-/Kraftstoffgemisch-Schichten gebildet. Die Schicht, die am nächsten bei der Zündkerze liegt, enthält ein stöchiometrisches Gemisch oder ein etwas fetteres Gemisch als das stöchiometrische Gemisch, und die daran anschließenden Schichten enthalten ein zunehmend mageres Gemisch. Während der homogenen Betriebsart aktiviert das Steuergerät 12 die Einspritzdüse 66A während des Ansaughubs, so dass ein im wesentlichen homogenes Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, wenn vom Zündsystem 88 Zündstrom an die Zündkerze 92 geliefert wird. Das Steuergerät 12 steuert die von der Einspritzdüse 66A abgegebene Kraftstoffmenge in der Weise, dass das homogene Luft-/Kraftstoffgemisch im Verbrennungsraum 30 so gewählt werden kann, dass es stöchiometrisch ist, einen fetteren Wert als den stöchiometrischen oder aber einen magereren Wert als den stöchiometrischen Wert annimmt. Das geschichtete Luft-/Kraftstoffgemisch wird immer einen magereren Wert haben als den stöchiometrischen, wobei das genaue Luft-/Kraftstoffgemisch eine Funktion der zum Verbrennungsraum 30 geführten Kraftstoffmenge ist. Eine zusätzliche gesplittete Betriebsart, bei der während des Auspufftaktes zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, wenn in der geschichteten Betriebsart gefahren wird, ist ebenfalls möglich.
  • Ein Stickoxyd(NOx)-Absorber bzw. eine Falle 72 wird als stromab vom Katalysator 70 angeordnet dargestellt. Die NOx-Falle 72 absorbiert NOx, wenn der Motor im Magerbetrieb arbeitet. Das absorbierte NOx reagiert anschließend mit HC und wird während eines NOx-Spülzyklus katalysiert, wenn das Steuergerät 12 veranlasst, dass der Motor 10 entweder in einer fetten homogenen Betriebsart oder in einer stöchiometrischen homogenen Betriebsart arbeitet.
  • Das Steuergerät 12 wird in 1A als ein an sich bekannter Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für Arbeitsprogramme und Kalibrierwerte, in diesem besonderen Beispiel dargestellt als ein Todspeicherchip 106, einen Informationsspeicher mit wahlfreiem Zugang (RAM) 108, einen Hilfsspeicher 110 und einen konventionellen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird so dargestellt, dass es zusätzlich zu den vorstehend erörterten Signalen verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren empfängt, hierin eingeschlossen: Messung des aufgebauten Luftmassenstroms (MAF) aus dem mit dem Drosselklappenkörper 58 verbundenen Luftmassenstromsensor 100; Motorkühlmitteltempteratur (ECT) aus dem mit der Kühlschlange 114 verbundenen Temperatursensor; ein Profil-Zündabgriffsignal (PIP) aus einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hall-Effektsensor 118 und die Drosselklappenstellung TP aus dem Drosselklappensensor 120 sowie ein absolutes Ansaugkrümmerdrucksignal (MAP) aus dem Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM wird vom Steuergerät 12 in einer an sich bekannten Weise aufgrund des PIP-Signals generiert, und das Ansaugkrümmerdrucksignal (MAP) liefert eine Angabe der Motorlast. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung erzeugt der Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Drehung der Kurbelwelle eine vorherbestimmte Anzahl von Impulsen im gleichen Abstand.
  • Bei diesem besonderen Beispiel werden die Temperatur Tcat des Katalysators 70 und die Temperatur Ttrp der NOx-Falle 72 in der Weise aus dem Motorbetrieb abgeleitet, wie dies im US-Patent Nr. 5.414.994 offengelegt wird, dessen Beschreibung hierin durch Bezugnahme darauf übernommen wird. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Temperatur Tcat von einem Temperatursensor 124 geliefert, und die Temperatur Ttrp wird von einem Temperatursensor 126 geliefert.
  • Die Beschreibung wird mit 1A fortgesetzt; hier wird eine Nockenwelle 130 des Motors 10 so dargestellt, dass sie zur Betätigung von Einlassventilen 52a, 52b und Auslassventilen 54a, 54b mit Stößeln 132 und 134 zusammenwirkt. Die Nockenwelle 130 ist direkt mit einem Gehäuse 136 verbunden. Das Gehäuse 136 bildet ein Zahnrad mit einer Mehrzahl von Zähnen 138. Das Gehäuse 136 ist hydraulisch mit einer (nicht gezeigten) inneren Welle verbunden, welche wiederum über eine (nicht gezeigte) Steuerkette mit der Nockenwelle 130 verbunden ist. Demzufolge rotieren das Gehäuse 136 und die Nockenwelle 130 mit einer Drehzahl, welche im wesentlichen derjenigen der inneren Nockenwelle entspricht. Die innere Nockenwelle dreht sich in einem konstanten Drehzahlverhältnis bezogen auf die Kurbelwelle 40. Durch Beeinflussung der hydraulischen Kupplung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung kann jedoch die relative Lage der Nockenwelle 130 bezogen auf die Kurbelwelle 40 durch hydraulische Drücke in einer Vorkammer 142 und einer Verzögerungskammer 144 variiert werden. Indem erlaubt wird, dass Hochdruckhydraulikflüssigkeit in die Vorkammer 142 eintritt, wird die Relativbeziehung zwischen der Nockenwelle 130 und der Kurbelwelle 40 vorverstellt, damit öffnen und schließen sich die Einlassventile 52a und 52b und die Auslassventile 54a und 54b zu einem früheren Zeitpunkt als normal bezogen auf die Kurbelwelle 40. Wenn analog Hochdruckhydraulikflüssigkeit in die Verzögerungskammer 144 eingelassen wird, wird die Relativbeziehung zwischen der Nockenwelle 130 und der Kurbelwelle 40 zurückverstellt. Demzufolge öffnen und schließen sich die Einlassventile 52a und 52b und die Auslassventile 54a und 54b zu einem späteren Zeitpunkt als normal bezogen auf die Kurbelwelle 40.
  • Mit dem Gehäuse 136 und der Nockenwelle 130 verbundene Zähne 138 erlauben die Messung der relativen Nockenposition über einen Nockensteuerungssensor 150, welcher dem Steuergerät 12 ein VCT-Signal liefert. Die Zähne 1, 2, 3 und 4 werden vorzugsweise für die Messung der Nockensteuerung verwendet und sind in gleichen Abständen angeordnet (z. B. bei einem V-8-Motor mit zwei Zylinderbänken sind sie in 90° Abstand voneinander angeordnet), während der Zahn 5 vorzugsweise wie im folgenden beschrieben zur Zylinderidentifikation herangezogen wird. Zusätzlich sendet das Steuergerät 12 Steuersignale (LACT, RACT) an (nicht gezeigte) an sich bekannte Magnetventile, um den Strom der Hydraulikflüssigkeit entweder in die Vorkammer 142, die VerzÖgerungskammer 144 oder in keine von beiden zu leiten.
  • Die relative Nockensteuerung wird unter Verwendung des in US 5.548.995 , das hierin unter Bezugnahme darauf übernommen wird, beschriebenen Verfahrens gemessen. In allgemeiner Form liefern die Zeit oder der Drehwinkel zwischen der ansteigenden Flanke des PIP-Signals und dem Empfang eines Signals von einer der Mehrzahl von Zähnen 138 am Gehäuse 136 ein Maß für die relative Nockensteuerung. Bei dem besonderen Beispiel eines V-8-Motors mit zwei Zylinderbänken und einem fünfzähnigen Rad wird ein Maß für die Nockensteuerung für eine bestimmte Bank viermal pro Umdrehung erhalten, wobei das verbleibende Signal für die Zylinderidentifikation herangezogen wird.
  • Unter Bezugnahme auf 1B wird eine Kanal-Kraftstoffeinspritzungs-Konfiguration gezeigt, bei der die Kraftstoffeinspritzdüse 66B nicht direkt mit dem Zylinder 30, sondern mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2A zeigt ein allgemeineres Diagramm den Krümmer 44a mit dem Einlassstrom min und dem Auslassstrom m_out. Der Einlassstrom m_in wird durch die Einlassregelvorrichtung 170 geregelt. Der Auslassstrom m_out wird durch die Auslassregelvorrichtung 171 geregelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Krümmer 44a ein Ansaugkrümmer eines Motors, die Einlassregelvorrichtung 170 ist eine Drosselklappe, und die Auslassregelvorrichtung 171 ist ein variabler Nockensteuerungsmechanismus. Wie jedoch ein Fachmann erkennen würde, gibt es viele alternative Ausführungsformen der Erfindung. Beispielsweise könnte die Auslassregelvorrichtung ein Drall-Steuerventil, ein variabler Ventilzeitsteuerungsmechanismus, ein variabler Ventilhebemechanismus oder ein in der nockenlosen Motortechnologie verwendetes elektronisch gesteuertes Einlassventil sein.
  • Die Beschreibung wird mit 2A fortgesetzt; hier gibt es weitere Variablen, die den in den Krümmer 44a eintretenden und diesen verlassenen Strom beeinflussen. Beispielsweise bestimmen die Drücke p1 und p2 in Verbindung mit der Einlassregelvorrichtung 170 den Strom m_in. Analog bestimmen die Drücke p2 und p3 in Verbindung mit der Auslassregelvorrichtung 171 den Strom m_out. Demzufolge beeinflusst die Flussspeicherung im Krümmer 44a, welche bestimmt, wie schnell der Druck p2 sich ändern kann, den Strom m_out. In einem Beispiel, bei dem der Krümmer 44a ein Ansaugkrümmer eines stöchiometrisch arbeitenden Motors ist, stellt der Strom m_out den Strom dar, der in einen Zylinder eintritt, und er ist direkt proportional zum Motordrehmoment.
  • Die 2B–2K zeigen die Wirkung solcher gegenseitigen Beziehungen auf die Systemleistung. In 2B wird die Einlassregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t1 rasch geändert. Die daraus resultierende Veränderung des Auslassstroms (m_out) wird in 2C gezeigt. Die daraus resultierende Änderung des Einlassstroms (m_in) wird in 2D gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Auslassregelvorrichtung 171 fest und entspricht demzufolge dem konventionellen Motorbetrieb und dem Betrieb nach dem Stand der Technik, bei dem die Drosselklappenstellung genutzt wird, um den Auslassstrom (m_out) zu steuern. In diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung der Einlassregelvorrichtung 170 keine entsprechend schnelle Veränderung des austretenden Stroms m_out.
  • Erfindungsgemäß wird in 2E die Auslassregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t2 rasch geändert. Die daraus resultierende Veränderung des Auslassstroms (m_out) wird in 2F gezeigt. Die daraus resultierende Veränderung des Einlassstroms (m_in) wird in 2G gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Einlassregelvorrichtung 170 fest und stellt demzufolge die Anpassung der Auslassvorrichtung 171 nur zur Steuerung des Auslassstroms (m_out) dar. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung der Auslassregelvorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung des austretenden Stroms m_out. Jedoch ist die schnelle Veränderung nicht wirklich nachhaltig.
  • Erfindungsgemäß wird in 2H die Einlassregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t3 rasch geändert. Analog wird in 2I die Auslassregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t3 rasch geändert. Die resultierende Veränderung des Auslassstroms (m_out) wird in 2J gezeigt. Die resultierende Veränderung des Einlassstroms (m_in) wird in 2K gezeigt. Bei diesem Beispiel werden sowohl die Einlassregelvorrichtung 170 als auch die Auslassregelvorrichtung 171 gleichzeitig variiert. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung sowohl der Einlassregelvorrichtung 170 als auch der Auslassregelvorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung beim Auslassstrom m_out, wobei die rasche Veränderung nachhaltig ist.
  • Erfindungsgemäß wird in 2L die Einlassregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t4 rasch geändert. Analog wird in 2M die Auslassregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t4 in einem größeren Umfang verändert als bei 2I. Die resultierende Veränderung des Auslassstroms (m_out) wird in 2N gezeigt. Die resultierende Veränderung des Einlassstroms (m_in) wird in 2O gezeigt. Bei diesem Beispiel werden sowohl die Einlassregelvorrichtung 170 als auch die Auslassregelvorrichtung 171 gleichzeitig variiert. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung sowohl der Einlassregelvorrichtung 170 als auch der Auslassregelvorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung des Auslassstroms m_out, wobei die rasche Veränderung nachhaltig ist und tatsächlich eine gewisse Spitzenmenge oder ein Überschießen verursacht. Dies zeigt, wie die Erfindung genutzt werden kann, um nicht nur schnell eine Zunahme beim Auslassstrom zu bewirken, sondern auch ein Überschießen hinzuzufügen. Demzufolge kann ein Steuerungssystem nach der Erfindung eine antizipierende Luftstromsteuerung generieren. Eine solche antizipierende Steuerung ist vorteilhaft für die Leerlaufdrehzahlsteuerung des Motors, um der Trägheit des Motors entgegenzuwirken, oder aber bei bestimmten Fahrzeuganfahrzustanden, um einen verbesserten Fahrkomfort zu liefern.
  • Erfindungsgemäß und durch Nutzung einer Auslassregelvorrichtung ist es möglich, den aus dem Krümmer austretenden Strom rasch zu steuern. Darüber hinaus ist es durch Steuerung sowohl einer Einlass- wie auch einer Auslassregelvorrichtung möglich, den aus einem Krümmer austretenden Strom in verschiedener Form rascher und genauer zu steuern.
  • In Fällen, bei denen der Motor 10 mit einem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis arbeitet, ist das Motordrehmoment entsprechend direkt proportional zur Zylinderfüllung, welche wiederum zum Auslassstrom m_out und zur Motordrehzahl proportional ist. Demnach kann in der vorliegenden Erfindung die Luftzufuhr zum Motor im gewünschten Maße gesteuert werden.
  • Motorleerlaufdrehzahlsteuerung
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine Routine zur Steuerung der Motordrehzahl unter Verwendung sowohl der Drosselklappenstellung als auch der Nockensteuerung beschrieben. Bei Schritt 310 wird aufgrund einer Differenz zwischen der gewünschten Motordrehzahl (Ndes) und der tatsächlichen Motordrehzahl (Nact) ein Motordrehzahlfehler (Nerr) berechnet. Dann wird bei Schritt 320 aufgrund des Drehzahlfehlers unter Verwendung des Steuergeräts K1 die Veränderung der Zylinderfüllung berechnet, wobei das Steuergerät K1 in an sich bekannter Weise im Laplace-Bereich als K1(s) dargestellt wird. Die gewünschte Veränderung bei der Zylinderfüllung (Δmcyl) wird vorzugsweise unter Verwendung eines proportionalen Steuergeräts berechnet. Demzufolge ist das Steuergerät K1 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Proportionalsteuergerät. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene andere Steuerschemata anstelle des proportionalen Steuergerätes K1 verwendet werden können. Beispielsweise können proportionale integrale Derivativ-Steuergeräte oder Steuergeräte mit gleitender Betriebsart oder beliebige sonstige Steuergeräte, die dem Fachmann bekannt sind, genutzt werden. Als nächstes wird bei Schritt 330 aufgrund des Drehzahlfehlers und des Steuergerätes K3 eine Übergangsstellung der Drosselklappe (Tpint) berechnet. Wie oben beschrieben können für das Steuergerät K3 verschiedene Steuergeräte verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K3 ein Integralsteuergerät. Als nächstes wird bei Schritt 340 auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer gewünschten Nominal-Nockensteuerung (VCTdesnom) und einer tatsächlichen Nockensteuerung (VCTact) ein Nominal-Nockensteuerungsfehler berechnet. Der gewünschte Nominal-Nockensteuerungswert (VCTdesnom) kann auf der Grundlage von Betriebszuständen, beispielsweise auf der Grundlage des Leerlaufmodus oder des Drivemodus, berechnet werden. Des weiteren kann der Nominal-Nockensteuerungswert (VCTdesnom) als Funktion eines gewünschten Motordrehmoments oder irgendeines sonstigen Programmierverfahrens eingestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Als nächstes wird bei Schritt 350 eine Übergangszeitsteuerung (VCTint) des Nominal-Nockensteuerungsfehlers und des Steuergeräts K2 berechnet. Das Steuergerät K2 kann ein beliebiges dem Fachmann bekanntes Steuergerät sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K2 ein proportionales integrales Steuergerät.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird nun eine Routine für die Berechnung von Anpassungen der Nockensteuerung und der Drosselklappenstellung zur raschen Veränderung der Zylinderfüllung beschrieben. Zunächst wird bei Schritt 410 der Krümmerdruck (Pm) geschätzt oder unter Verwendung des Sensors 122 gemessen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Krümmerdruck (Pm) unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren geschätzt. Beispielsweise kann der Krümmerdruck unter Verwendung des Signals MAF aus dem Luftmassenstromsensor 100, der Motordrehzahl und sonstiger dem Fachmann bekannten Signalen geschätzt werden, um den Krümmerdruck zu erhalten. Als nächstes wird bei Schritt 412 die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung (Δncyl) aus 3 abgelesen. Danach wird bei Schritt 414 eine Veränderung der Nockensteuerung (ΔVCT) festgelegt, um die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung bei dem bei Schritt 410 abgelesenen Krümmerdruck (Pm) zu erhalten. Schritt 414 wird unter Verwendung von Kennfeldern bezüglich Nockensteuerung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck ausgeführt. Die Kennfelder können theoretisch unter Verwendung von Motormodellen ermittelt oder unter Verwendung von Motortestdaten gemessen werden. Als nächstes wird bei Schritt 416 eine Veränderung der Drosselklappenstellung (ΔTP) ermittelt, um die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung (Δncyl) bei dem in Schritt 410 ermittelten Krümmerdruck (Pm) zu erhalten. Schritt 416 wird analog unter Verwendung von Parametern wie Drosselklappenstellung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck enthaltenden charakteristischen Kennfeldern durchgeführt. Die Kennfelder können unter Verwendung von Motormodellen oder unter Verwendung von Motortestdaten ermittelt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird die Routine für die Berechnung der gewünschten Nockensteuerung und der gewünschten Drosselklappenstellung beschrieben. Zunächst wird bei Schritt 510 auf der Grundlage der gewünschten Veränderung der Nockensteuerung und der Übergangsnockensteuerung ein gewünschter Zylinder, eine gewünschte Nockensteuerung (VCTdes) ermittelt. Als nächstes wird bei Schritt 512 die gewünschte Drosselklappenstellung (TPdes) auf der Grundlage der Übergangsdrosselklappenstellung und der gewünschten Veränderung bei der Drosselklappenstellung ermittelt.
  • Wenn jedoch eine Nockensteuerungsposition gewünscht wird, die großer als die maximal mögliche Nockensteuerung ist, oder wenn eine Mindestnockensteuerung geringer ist als die mindestmögliche Nockensteuerung, wird die gewünschte Nockensteuerung (VCTdes) auf den Maximalwert oder den Minimalwert gesetzt. Die Nockensteuerung ist möglicherweise nicht in der Lage, die gewünschte Zunahme oder Abnahme bei der Zylinderluftfüllung zu bewirken. In diesem Fall wird die Nockensteuerung auf den erreichbaren Limitwert gesetzt, und die Drosselklappenstellung wird zur Durchführung der Steuerung herangezogen.
  • Zwänge beim stationären Zustand
  • Wie oben hierin unter besonderer Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschrieben, wurde ein Steuerungsverfahren für die Steuerung des Motorluftdurchsatzes oder des Motordrehmoments und damit der Motordrehzahl beschrieben. Des weiteren umfasst das Verfahren ein Verfahren für die rasche Steuerung der Zylinderfüllung unter Verwendung einer Einlass- und einer Auslassregelvorrichtung, während außerdem die Steuerung der Auslassregelvorrichtung relativ langsam auf eine Nennposition eingestellt wurde. Beide Prozesse werden nun unter Heranziehung sowohl der 6 wie auch der 7 näher erläutert.
  • Unter Bezugnahme auf 6 wird eine Graphik mit der Drosselklappenstellung (TP) auf der Ordinate und der Nockensteuerung (VCT) auf der Abszisse gezeigt. Gestrichelte Linien werden unter Annahme von stöchiometrischen Bedingungen für konstante Werte des Motordrehmoments (Te) gezeigt, während durchgezogene Linien einen konstanten Wert des Krümmerdrucks zeigen. Erfindungsgemäß kann der Motor die Betriebspunkte längs der Linien konstanten Drucks rasch ändern (wodurch der Motorluftdurchsatz und das Drehmoment rasch geändert werden), da es in dieser Richtung keine Krümmerdynamik gibt. Der Motorbetriebszustand kann sich jedoch entlang der gestrichelten Linien nur relativ langsam ändern, wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis vorgegeben ist (beispielsweise beim stöchiometrischen Wert). Die gestrichelte senkrechte Linie stellt die gewünschte Nominal-Nockenwellensteuerung für die gegebenen Be-triebsbedingungen dar. Beispielsweise die Nennsteuerung für den Leerlaufbetriebszustand oder die Nennsteuerung für den aktuell gewünschten Motordrehmomentwert.
  • Mit anderen Worten stellen Krümmerdynamiken dynamische Phänomene dar, welche mit sich änderndem Krümmerdruck verbunden sind, und erklären, warum der in den Zylinder eintretende Strom nicht immer dem in den Krümmer eintretenden Strom entspricht. Wegen des Krümmervolumens kann sich der Krümmerdruck nicht augenblicklich ändern. In dem Maße, wie der Krümmerdruck zunimmt, wird die Dynamik des Krümmers langsamer. Umgekehrt wird die Dynamik in dem Maße schneller, wie das Krümmervolumen geringer wird. Also ist die Krümmerdynamik oder die Krümmerverzögerung eine Funktion des Krümmervolumens. Wie oben beschrieben sind die Krümmerdynamiken im wesentlichen unbedeutend, solange es sich um den Bereich der Linien konstanten Drucks handelt. Demzufolge werden Stromänderungen nicht durch die Krümmerdynamik eingeschränkt, wenn die Einlass- und Auslassregelvorrichtungen geändert werden, um einen Strom in ähnlichen Richtungen zu bewirken. Indem die Einlassregelvorrichtung und Auslassregelvorrichtung rascher geändert werden als die Krümmerdynamik, um eine Zunahme sowohl längs der Abszisse wie auch der Ordinate in 6 zu erreichen, ändert sich der Zylinderdurchsatz rascher als die Krümmerdynamik. Mit anderen Worten, ändert sich der Zylinderstrom schneller als dies der Fall wäre, wenn sich allein die Einlassregelvorrichtung unendlich schnell änderte. Wenn die Einlassregelvorrichtung und die Auslassregelvorrichtung so verändert werden, dass sie einen Strom in entgegengesetzten Richtungen bewirken, kann die Zylinderfüllung konstant gehalten werden. Insbesondere werden sowohl die Einlassregelvorrichtung als auch die Auslassregelvorrichtung langsamer verändert als die Krümmerdynamik, da der Krümmerdruck geändert wird. Dies ist besonders nützlich, wenn der Motorluftdurchsatz oder das Motordrehmoment relativ konstant zu halten ist und gleichzeitig gewünscht wird, dennoch entweder die Einlassregelvorrichtung oder die Auslassregelvorrichtung an einem bestimmten Punkt zu platzieren.
  • Unter Bezugnahme auf die beiden 6 und 7 wird nun ein Betriebsbeispiel nach einem Merkmal der Erfindung beschrieben. Zunächst arbeitet das System bei Punkt 1. Beispielsweise beträgt das gewünschte Motordrehmoment (Ted) Te2 oder dieses ist zufällig das zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Motordrehzahl erforderliche Drehmoment. Dann ändert sich entweder das gewünschte Motordrehmoment (Ted) auf Te3 oder eine Drehmomentstörung verursacht, dass die Motordrehzahl abfällt, womit eine Erhöhung des Motordrehmoments auf Te3 erforderlich wird, um die gewünschte Motordrehzahl zu halten. Zu diesem Zeitpunkt (Zeitpunkt t5) bewirkt das Steuergerät 12, dass sowohl die Drosselklappenstellung als auch die Nockensteuerung in der Weise geändert werden, dass sich das Motorsystem rasch zu Punkt 2 bewegt. Als nächstes und um die Nockensteuerung und die Nominal-Nockensteuerung zu halten, bewirkt das Steuergerät 12, dass sich sowohl die Drosselklappenstellung wie auch die Nockensteuerung mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Krümmerdynamik zu Punkt 3 bewegen.
  • Dementsprechend wird erfindungsgemäß bewirkt, dass sich die Drosselklappenstellung und die Nockensteuerung in folgender Weise bewegen: Wenn gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung unabhängig vom Krümmervolumen rasch zu erhöhen: (1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, die zu einer Vergrößerung der Drosselklappenöffnungsfläche führt, und (2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepasst, dass die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck erhöht wird. Wenn analog gewünscht wird, unabhängig vom Krümmervolumen die Zylinderluftfüllung rasch zu mindern: (1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer solchen Weise, dass eine Abnahme der Drosselöffnungsfläche herbeigeführt wird, und (2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepasst, dass die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck reduziert wird. Damit ist es möglich, durch diese kombinierte Einwirkung den Strom in den Zylinder rasch zu ändern und aufrechtzuerhalten.
  • Wenn jedoch gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung zu halten und entweder die Drosselklappenöffnung zu vergrößern oder zu bewirken, dass sich die Nockensteuerung in einer solchen Weise bewegt, dass weniger Luftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck aufgebaut wird oder beides, (1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer solchen Weise, dass eine Zunahme der Drosselöffnungsfläche bewirkt wird, und (2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepasst, dass die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck reduziert wird. Durch diese entgegengesetzte Maßnahme kann somit die Zylinderfüllung konstant gehalten werden. Wenn alternativ gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung aufrechtzuerhalten und entweder die Drosselöffnung zu mindern oder zu bewirken, dass sich die Nockensteuerung in der Weise bewegt, dass bei einem gegebenen Krümmerdruck mehr Luft eingeführt wird oder beides, (1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, dass eine Abnahme der Drosselöffnungsfläche bewirkt wird, und (2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepasst, dass die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck erhöht wird. Wiederum kann die Zylinderfüllung durch diese entgegengesetzte Vorgehensweise konstant gehalten werden.
  • Eine solche koordinierte Steuerung ist insofern vorteilhaft als Zwänge der Optimierung des Konstantzustandes bei der Nockensteuerung eingehalten werden können, während nach wie vor die Möglichkeit besteht, die Zylinderluftfüllung rasch zu ändern.
  • Motordrehmomentsteuerung
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird nun eine Routine für die Steuerung des Motordrehmoments und nicht der Motordrehzahl, wie zu 3 ausgeführt, beschrieben. Die Motordrehmomentsteuerung nach der Erfindung kann für verschiedene Zwecke, einschließlich des normalen Fahrbetriebs, Traktionskontrolle und/oder Geschwindigkeitsregelung, verwendet werden. Mit anderen Worten kann die 8 verbunden mit den 3 bis 5 herangezogen werden, um das Motordrehmoment zu regeln, wobei die Schritte 310 bis 330 durch 8 ersetzt werden. Wird zunächst 8 betrachtet, wird bei Schritt 810 ein gewünschtes Motordrehmoment (Ted) ermittelt. Fachleute werden erkennen, dass das gewünschte Motordrehmoment (Ted) in verschiedener Weise festgelegt werden kann. Beispielsweise kann das gewünschte Motordrehmoment ausgehend von dem gewünschten Raddrehmoment und dem Übersetzungsverhältnis, von der Gaspedalstellung und der Fahrzeuggeschwindigkeit, von der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl oder nach einem beliebigen an sich bekannten Verfahren ermittelt werden. Dann wird bei Schritt 820 auf der Grundlage einer Funktion (h) des gewünschten Motordrehmoments (Ted) die gewünschte Zylinderfüllung (mcyld) ermittelt. Die Funktion (h) basiert auf einem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis, wie z. B. stöchiometrischen Bedingungen.
  • Die Beschreibung wird mit 8 fortgesetzt; hier wird bei Schritt 830 auf der Grundlage der Differenz zwischen der gewünschten Zylinderfüllung (mcyld) und der tatsächlichen Zylinderfüllung (mcyl) die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung (Dmcyl) ermittelt. Dann wird bei Schritt 840 auf der Grundlage der gewünschten Veränderung bei der Zylinderfüllung (Dmcyl) und dem Steuergerät K3 die Drosselklappenübergangsstellung (Tpint) berechnet. Wie oben beschrieben können verschiedene Steuergeräte für das Steuergerät K3 herangezogen werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K3 ein Integralsteuergerät. Dann wird bei Schritt 850 eine Nominal-Nockenwellensteuerung (VCTdesnom) auf der Grundlage der Funktion (g) und des gewünschten Motordrehmoments (Ted) ermittelt. Dann setzt sich die Routine bis Schritt 340 in 3 fort.
  • Alternative Ausführungsform für Zylinderfüllungs-, Drehmoment- und Motordrehzahlsteuerung
  • Nun wird eine alternative Ausführungsform beschrieben, die herangezogen werden kann, um entweder die Zylinderluftfüllung, das Motordrehmoment bei einem gegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnis oder die Motordrehzahl zu steuern. Unter Bezugnahme auf 9 wird nun bei Schritt 910 detektiert, ob der Motor sich derzeit in einem Leerlaufzustand befindet. Für Fachleute ist erkennbar, dass es verschiedene Verfahren für die Feststellung des Leerlaufzustandes gibt, SO z. B. Gaspedalstellung, Motordrehzahl und verschiedene andere Faktoren. Wenn die Antwort auf Schritt 910 JA ist, setzt sich die Routine bis Schritt 912 fort. Bei Schritt 912 wird die gewünschte Zylinderfüllung (mcyldes) auf der Grundlage eines Motordrehzahlfehlers (Nerr) berechnet. Die gewünschte Zylinderfüllung wird unter Verwendung der Funktion L1 berechnet, die eine beliebige Funktion darstellen kann, wie z. B. Motordrehzahlfehler multipliziert mit einem konstanten Faktor, was die bevorzugte Ausführungsform ist. Ansonsten setzt sich, wenn die Antwort auf Schritt 910 NEIN ist, die Routine bis Schritt 914 fort. Bei Schritt 914 wird die gewünschte Zylinderfüllung entweder auf der Grundlage eines Fahrerbefehls oder auf der Grundlage von Betriebsbedingungen unter Heranziehung der Funktion 12 berechnet. Die Fachleute kennen verschiedene Verfahren zur Berechnung einer gewünschten Zylinderfüllung aufgrund eines Fahrerbefehls, wie z. B. Abruf eines gewünschten Motordrehmoments, eines gewünschten Raddrehmoments, einer Motorleistung oder zur Lieferung eines beliebigen anderen vom Fahrer abgerufenen Zustandes. Die Fachleute erkennen auch verschiedene Betriebsbedingungen, die eine gewünschte Zylinderfüllung beeinflussen können, wie z. B. Motorstartbedingungen, kaltes Wetter oder Anlassbedingungen.
  • Die Beschreibung wird mit 9 fortgesetzt; die Routine setzt sich entweder von Schritt 912 oder Schritt 914 bis Schritt 916 fort. Bei Schritt 916 wird auf der Grundlage der gewünschten Zylinderfüllung und der tatsächlichen Zylinderfüllung (mcylact) der Zylinderfüllungsfehler (mcylerr) berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 918 der nominale Nockensteuerungsfehler berechnet. Anschließend wird bei Schritt 920 eine Übergangsnockensteuerung auf der Grundlage des nominalen Nockensteuerungsfehlers und des Steuergeräts H1 berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H1 ein dem Fachmann bekanntes Integralsteuergerät. Des weiteren werden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Faktoren des Steuergeräts H1 in der Weise ermittelt, dass die Nockensteuerung langsamer eingestellt wird als die Krümmerdynamik. Mit anderen Worten werden die Faktoren des Steuergeräts H1 auf der Grundlage von Krümmervolumen und Motordrehzahl ermittelt. Das Steuergerät H1 kann jedoch ein beliebiges dem Fachmann bekanntes Steuergerät sein, wie z. B. ein PID-Steuergerät, ein PI-Steuergerät oder ein P-Steuergerät. Als nächstes wird bei Schritt 920 auf der Grundlage des Zylinderfüllungsfehlers und des Steuergeräts H2 die Drossel-klappenübergangsstellung berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H2 ein Integralsteuergerät; wie jedoch für den Fachmann erkennbar ist, können verschiedene Steuergeräte genutzt werden. Als nächstes wird bei Schritt 940 eine Differenz bei der Nockensteuerung auf der Grundlage des Zylinderfüllungsfehlers und des Steuergeräts H3 berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H3 ein antizipierendes Steuergerät oder ein hochpassfilterartiges Steuergerät. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 950 fort, wo aufgrund der Differenz bei der Nockensteuerung unter Verwendung des Steuergeräts H4 eine Differenz der Drosselklappenstellung berechnet wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H4 einfach ein konstanter Faktor. Als nächstes setzt sich die Routine bis 5 fort.
  • Luft-/Kraftstoffverhältnis-Zwänge im Magerbetrieb Unter Bezugnahme auf 10 wird nun eine Routine für die Einschränkung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses auf bestimmte Bereiche beschrieben. Bei Schritt 1010 erfolgt eine Feststellung, ob der Motor im Schichtladezustand arbeitet. Wenn die Antwort bei Schritt 1010 JA ist, setzt sich die Routine bis Schritt 1012 fort. Bei Schritt 1012 wird die erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge (fi) auf der Grundlage von Fahrerbefehlen oder Betriebsbedingungen berechnet. Wiederum werden die Fachleute verschiedene Verfahren für die Ermittlung einer Kraftstoffeinspritzmenge auf der Grundlage des Fahrerbefehls oder der Motorbetriebsbedingungen erkennen. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 1014 fort, wo ein eingeschränkter Luftbereich berechnet wird. Der eingeschränkte Luftbereich wird unter Heranziehung eines maximal und minimal zulässigen Luft-/Kraftstoffverhältnisses, der Kraftstoffeinspritzmenge und eines Bandparameters (B) berechnet. Der Bandparameter wird herangezogen, um Raum für Ungenauigkeiten der Berechnung zuzulassen. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 1016 fort, wo eine Detektierung erfolgt, ob die tatsächliche Zylinderfüllung zwischen den maximal und minimal zulässigen Zylinderfüllungen (mcyl1, mcyl2) liegt. Wenn die Antwort auf Schritt 1016 JA ist, erfolgt eine Detektierung bei Schritt 1018, ob es angesichts der aktuellen Betriebsbedingungen möglich ist, Luftfüllung (mcyl1) auszulösen. Diese Detektierung kann auf der Grundlage von Faktoren, wie z. B. Motordrehzahl und Luftdruck erfolgen. Insbesondere bei zunehmendem Luftdruck ist der Motor in der Lage, eine größere maximale Luftmenge aufzunehmen. Demzufolge wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Grenz-mcyl1 gewählt, wenn der Luftdruck größer ist als ein kalibrierter Wert, und ansonsten wird mcyl2 gewählt. Mit anderen Worten erfolgt bei Schritt 1018 eine Detektierung, ob der Motor physikalisch die obere Luftfüllung (cmyl1) aufbauen kann. Wenn die Antwort auf Schritt 1018 NEIN ist, setzt die Routine die gewünschte Zylinderfüllung (mcyldes) gleich der niedrigeren Luftfüllung (mcyl2) bei Schritt 1020 fort. Ansonsten wird die gewünschte Zylinderfüllung auf die obere Zylinderfüllung (mcyl1) gestellt.
  • Unter Bezugnahme auf 11 wird nun die Erfindung mit Ansätzen nach dem Stand der Technik für das Steuern des Motordrehmoments oder die Aufrechterhaltung eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses außerhalb eines eingeschränkten Luft-/Kraftstoffverhältnis-Bereiches verglichen. Die 11a bis 11f zeigen einen Vergleich der Erfindung, wie sie in durchgezogenen Linien dargestellt wird, mit früheren Ansätzen, wie sie durch gestrichelte Linien dargestellt werden. Bei früheren Ansätzen nimmt, wie in 11a gezeigt, die Kraftstoffeinspritzmenge zum Zeitpunkt T6 als Reaktion auf eine Veränderung bei dem gewünschten in 11d gezeigten Motordrehmoment zu. Um das Luft-/Kraftstoffverhältnis an einem gewünschten Punkt zu halten, ist, wie in 11e gezeigt, ein erhöhter Luftstrom erforderlich. Um einen erhöhten Luftstrom zu liefern, verändern, wie in 11c gezeigt, frühere Ansätze zum Zeitpunkt T6 die Drosselklappenstellung. Da jedoch aufgrund der Luftstromdynamik, die auf dem Krümmervolumen beruht, die Luftfüllung nicht rasch genug zunimmt, wie dies in 11f gezeigt wird, führt dies zu einem zeitweiligen Heraustreten des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in den eingeschränkten Bereich, wie dies in 11e gezeigt wird. Demzufolge können die Ansätze nach dem Stand der Technik das Luft-/Kraftstoffverhältnis nicht vollständig außerhalb des eingeschränkten Bereiches halten.
  • Erfindungsgemäß und wie in 10 gezeigt, wird zum Zeitpunkt T6 die Nockensteuerung, wie in 11b gezeigt, desgleichen erhöht. Dies erlaubt, wie in 11e gezeigt wird, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis außerhalb des eingeschränkten Luft-/Kraftstoffverhältnis Bereiches verbleibt. Dies ist möglich, weil der Luftstrom unter Verwendung sowohl der Nockensteuerung wie auch der Drosselklappenstellung, wie in 11f in durchgezogener Linie dargestellt, rasch geändert wurde.
  • Verbesserung der Fahrzeugbeschleunigung
  • Die Fahreigenschaften des Fahrzeuges werden erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass Zunahmen des Motordrehmoments schneller bereitgestellt werden als dies bei Verfahren nach dem Stand der Technik möglich war. Bei 12 ist der Motor 10 mit einem Automatikgetriebe (AT) 1200 über einen Drehmomentwandler (TC) 1210 verbunden. Das Automatikgetriebe (AT) 1200 wird als mit einer Antriebswelle 1202 verbunden betrachtet, welche wiederum mit einer Achsantriebseinheit (FD) 1204 verbunden ist. Die Achsantriebseinheit (FD) ist über eine zweite Antriebswelle 1208 mit dem Rad 1208 verbunden. Bei dieser Konfiguration kann der Motor 10 etwas kleiner gebaut werden und trotzdem akzeptable Fahreigenschaften liefern, indem das Motordrehmoment oder der Luftdurchsatz unter Verwendung sowohl der Drosselklappenstellung als auch der Nockensteuerung, wie oben hierin beschrieben, gesteuert werden.
  • Bei 13 ist der Drehmomentwandler 1210 entfallen. So sind auch ohne die Reduzierung der Größe des Motors 10 bei Verwendung früherer Ansätze die Fahreigenschaften schlechter. Mit anderen Worten wird die Fahrzeugbeschleunigung normalerweise durch eine Drehmomentvermehrung unterstützt, wie sie der Drehmomentwandler 1210 liefert. Ohne Drehmomentwandler 1210 verschlechtert sich der Beschleunigungseindruck des Fahrzeuges. Um das Fehlen des Drehmomentwandlers 1210 auszugleichen, wird der Motor 10 erfindungsgemäß unter Heranziehung sowohl der Drosselklappenstellung als auch der Nockensteuerung gesteuert, um das Motordrehmoment oder den Luftdurchsatz rasch zu erhöhen, wodurch die Fahreigenschaften verbessert werden und die Weglassung des Drehmomentwandlers 1210 ermöglicht wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden während der Fahrzeugbeschleunigung bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit und geringer Motordrehzahl sowohl die Einlassregelvorrichtung 170 als auch die Auslassregelvorrichtung 171 so koordiniert, dass die Motorzylinderfüllung rasch gesteuert wird, womit die Fahreigenschaften verbessert werden. Zusätzlich zur Ermöglichung dieses Betriebes wird die Nominal-Nockensteuerung (VCTdesnom) auf einen Wert gesetzt, bei dem eine hohe potentielle Zunahme bei der Zylinderluftfüllung erreicht werden kann, wenn das Getriebe auf Drive-Stellung ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit unter einer vorherbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit liegt, was ein Potential für die Fahrzeugbeschleunigung angibt.
  • Ausgleich des Turbolochs
  • Unter Bezugnahme auf 14 wird jetzt eine Konfiguration gezeigt, bei der der Motor 10 mit einer Aufladevorrichtung 1400 verbunden ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Aufladevorrichtung ein Turbolader. Die Aufladevorrichtung 1400 kann jedoch eine beliebige Aufladevorrichtung sein, wie z. B. ein Kompressor. Der Motor 10 wird als mit dem Ansaugkrümmer 44b und dem Auspuffkrümmer 48b verbunden dargestellt. Des weiteren wird die Auslassregelvorrichtung 171 als mit dem Ansaugkrümmer 44b und dem Motor 10 verbunden gezeigt. Die Einlassregelvorrichtung 170 wird auch als zwischen dem Ansaugkrümmer 44b und der Aufladevorrichtung 1400 verbunden gezeigt. Die Aufladevorrichtung 1400 enthält den Kompressor 1410.
  • Erfindungsgemäß ist es jetzt möglich, die auf dem Turboloch beruhenden Verzögerungen zu kompensieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden während der Fahrzeugbeschleunigung aus geringen Geschwindigkeiten bei geringer Motordrehzahl die Einlassregelvorrichtung 170 und die Auslassregelvorrichtung 171 so abgestimmt, dass sie rasch die Motorzylinderfüllung steuern, womit der verzögerte Druckaufbau durch die Aufladevorrichtung kompensiert wird. Jedoch kann ein solcher Ansatz während verschiedener Fahrzustände genutzt werden, wie z. B. während des Befahrens von Autobahnen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit.
  • Während die Erfindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für den einschlägigen Fachmann klar, dass daran viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsrahmen zu verlassen. Beispielsweise könnte, wie vorstehend hierin beschrieben, eine beliebige Vorrichtung, die den aus dem Ansaugkrümmer 44 austretenden und in den Zylinder 30 eintretenden Strom beeinflusst, als Auslassregelvorrichtung genutzt werden. Beispielsweise konnte erfindungsgemäß ein Drallsteuerventil, ein Ladebewegungssteuerventil, ein Ansaugkrümmerführungssteuerventil oder ein elektronisch gesteuertes Ansaugventil genutzt werden, um die Zylinderfrischfüllung rasch zu verändern. Des weiteren kann statt der Ansaugsteuervorrichtung jede beliebige Vorrichtung, die den in den Ansaugkrümmer 44 eintretenden Strom beeinflusst, verwendet werden. Beispielsweise können ein EGR-Ventil, ein Spülsteuerventil oder ein Ansaugluft-Bypass-Ventil in Verbindung mit der Auslassregelvorrichtung in der Weise genutzt werden, dass die Zylinderfrischfüllung rasch geändert wird.
  • Des weiteren kann die Erfindung auf jede beliebige Situation angewandt werden, wo die Zylinderfüllung schneller gesteuert werden muss, als die Krümmerdynamik dies normalerweise zulassen würde. Demzufolge ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch die nachfolgenden Patentansprüche eingeschränkt wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Motors, der mindestens einen Zylinder (30), einen Einlasskrümmer (44), eine Einlasssteuervorrichtung (62, 120) zum Steuern des in den Einlasskrümmer (44) eintretenden Stroms sowie eine Auslasssteuervorrichtung (52, 171) mit einem variablen Ventilhub zum Steuern des Stroms von dem Einlasskrümmer (44) in den Zylinder (30), eine Abgasanlage (48) mit einem Dreiwegekatalysator (70) und einen Abgas-Sauerstoffsensor (76) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer gewünschten Motordrehzahl; Ändern des Ventilhubs zum Regeln der Motordrehzahl auf die gewünschte Motordrehzahl; direktes Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder anhand eines Signals von dem Abgas-Sauerstoffsensor (76), um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einem stöchiometrischen Wert zu halten, wobei die Einlasssteuervorrichtung (62, 120) anhand einer Abweichung zwischen der gewünschten Motordrehzahl und einer ermittelten Motordrehzahl eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 wobei die Einlasssteuervorrichtung eine mit dem Einlasskrümmer (44) verbundene elektronische Drosselklappe (62) aufweist, die anhand der Abweichung zwischen der gewünschten Motordrehzahl und der ermittelten Motordrehzahl eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilhub anhand einer Diskrepanz zwischen der gewünschten Motordrehzahl und einer ermittelten Motordrehzahl eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das direkte Einspritzen von Kraftstoff das direkte Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (30) während des Ansaugtaktes umfasst, so dass ein im wesentlichen homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
  5. Steuervorrichtung für einen Motor mit einem Einlasskrümmer und einem Zylinder, wobei die Steuervorrichtung folgendes umfasst: eine Auslasssteuervorrichtung (52, 171) zum Steuern des den Einlasskrümmer (44) verlassenden und in den Zylinder (30) eintretenden Stroms, wobei die Auslasssteuervorrichtung (52, 171) einen variablen Ventilhub umfasst; eine Einlasssteuervorrichtung (62, 120) zum Steuern des in den Einlasskrümmer (44) eintretenden Stroms, wobei die Einlasssteuervorrichtung eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe (62) umfasst; eine mit dem Zylinder (30) verbundene Kraftstoffeinspritzdüse (66A), durch die Kraftstoff direkt in den Zylinder (30) einspritzbar ist, einen Abgas-Sauerstoffsensor (76), der in einen Auslaß (48) des Motors eingebaut ist; und ein Steuergerät (12), das eine gewünschte Motordrehzahl ermittelt, die Auslasssteuervorrichtung (52, 171) einstellt, um die gewünschte Motordrehzahl bereitzustellen, die Einlasssteuervorrichtung anhand eines Betriebsparameters einstellt und den in den Motor eingespritzten Kraftstoff anhand des Sauerstoffsensors einstellt, um das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einem stöchiometrischen Wert zu halten, wobei das Steuergerät (12) die Einlasssteuervorrichtung (62, 120) anhand einer Diskrepanz zwischen der gewünschten Motordrehzahl und einer ermittelten Motordrehzahl einstellt.
  6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5 das ferner einen in den Auslaß eingebauten Dreiwegekatalysator (70) umfasst.
  7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6 bei dem sich der Abgas-Sauerstoffsensor (76) stromaufwärts von dem Dreiwegekatalysator befindet.
  8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 5–7 bei dem der Motor ein V-Motor mit zwei Zylinderreihen ist.
  9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 5–8 bei dem das Steuergerät (12) während des Ansaugtaktes Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzt, so dass während einer stöchiometrischen Betriebsart ein im wesentlichen homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
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