STRATEGIE ZUR STEUERUNG DER ZYLINDERABSCHALTUNG

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1 ENTWICKLUNG Motormanagement STRATEGIE ZUR STEUERUNG DER ZYLINDERABSCHALTUNG Das Abschalten von Zylindern senkt den Kraftstoffverbrauch und die CO 2 -Emissionen von Verbrennungsmotoren, ohne Leistung und Komfort zu schmälern. Zentrale Komponente neben der konstruktiven Anpassung des Motors ist die Motorsteuerung, die alle relevanten Subsysteme des Motors vernetzt und managt. Die Bosch Engineering GmbH setzt mit der Erfahrung aus zahlreichen Serienprojekten das Konzept der Zylinderabschaltung über innovative Softwarefunktionen und die Motorapplikation um. 118

2 AUTOREN DIPL.-ING (FH) THOMAS KORTWITTENBORG ist Entwicklungsingenieur und Fachexperte für Zylinderabschaltung bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. DIPL.-ING. FRANK WALTER ist Entwicklungsingenieur und Fachexperte für Zylinderabschaltung bei der Bosch Engineering GmbH in Abstatt. ZYLINDERABSCHALTUNG MUSS UNBEMERKT ERFOLGEN Der Weltmarkt für Neufahrzeuge wird von heute 71 Millionen Automobilen auf 103 Millionen im Jahr 2020 wachsen. Rund 100 Millionen Fahrzeuge werden davon mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sein das erwarten die Marktforscher von Bosch ebenso wie externe Experten. Technischen Konzepten, die Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen von Otto- und Dieselmotoren senken, kommt daher weiterhin eine hohe Bedeutung zu. Wesentliche Beiträge zur CO 2 -Reduzierung liefern Technikpakete für mehr Energieeffizienz im Antriebsstrang, für die Bosch heute schon Produkte und Dienstleistungen anbietet: Hybridkonzepte für die Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor, Start-Stopp-Funktionen, energiesparende Nebenaggregate im Antriebsstrang und innovative Motorkonzepte wie die Zylinderabschaltung. Mit ihr lässt sich, zum Beispiel bei moderater Anforderung an das Motordrehmoment auf der Autobahn oder Landstraße, ein Teil der Zylinder abschalten. Die weiterbefeuerten Zylinder müssen dann jedoch das Drehmoment der abgeschalteten Zylinder mit erzeugen. Hierfür wird der Lastpunkt für diese Zylinder verschoben. Darüber hinaus entfallen teilweise die Ladungswechselverluste. Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Ausstoß sinken dadurch erheblich. Die Herausforderungen und zugleich Qualitätskriterien bei der Entwicklung von Motoren mit Zylinderabschaltung sind Drehmoment- und Emissionsneutralität sowie ein gutes Ansprechverhalten. Das bedeutet, das Umschalten zwischen Vollmotorbetrieb und Zylinderabschaltung muss für den Fahrer unmerklich und ohne Komfortverlust durch Drehmomentsprünge erfolgen. Wird während der Betriebsart Zylinderabschaltung der Vollmotorbetrieb angefordert, zum Beispiel für einen Überholvorgang, muss die Umschaltung innerhalb weniger Millisekunden ge - schehen. Weiterhin dürfen keine zusätzlichen Emissionen entstehen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, rückt die sogenannte Motronic, ❶, das Motorsteuergerät von Bosch, ins Zentrum der Entwicklungstätigkeit. Sie wertet einerseits alle Daten aus, die für die Auswahl der Betriebsart (Vollmotorbetrieb oder Zylinderabschaltung) entscheidend sind, und erteilt die Freigabe zur Umschaltung. Andererseits vernetzt sie alle erforderlichen Aktuatoren für die Umschaltsteuerung der Motorbetriebsarten. Dazu gehören das Luftsystem mit der Drosselklappe, das Kraftstoff- und Zündsystem sowie das Gaswechselventilsystem. Damit koordiniert und steuert die Motronic über Softwarefunk- ❶ Motorsteuergerät ME(D) 17 von Bosch für Ottomotoren 02I Jahrgang 119

3 ENTWICKLUNG Motormanagement tionen alle relevanten Subsysteme des Motors, ❷, die den Drehmomentverlauf sowie das Ansprech- und Emissionsverhalten beeinflussen. ANFORDERUNGEN AN DIE MOTORSTEUERUNG Die Zylinderabschaltung lässt sich sowohl bei einem Motor mit vielen als auch mit nur zwei Zylindern umsetzen. Dabei sind verschiedene Konfigurationen der Zylinderabschaltung, bezogen auf die Position der abzuschaltenden Zylinder, möglich, ❸. Die konstruktiven Besonderheiten eines Motors mit Zylinderabschaltung führen zu speziellen Anforderungen an die Funktionssoftware der Motorsteuerung. Wichtige Kriterien sind zum Beispiel die Zündfolge oder die jeweilige Gestaltung des Ansaugund Abgastrakts. Weiterhin definiert die Einspritzart (Saugrohr- oder Direkteinspritzung) die Funktionssoftware für Zylinderabschaltungssysteme. Abhängig vom Ziel der CO 2 -Reduzierung kann die Abschaltung der Gaswechselventile auch entfallen. Dies senkt den konstruktiven Aufwand und die Kosten, schöpft jedoch nicht das volle CO 2 -Einsparpotenzial der Zylinderabschaltung aus. ÜBERGANG IN DIE ZYLINDERABSCHALTUNG 120 ❸ Konfiguration Zylinderabschaltung ❷ Systemübersicht Zylinderabschaltung Um einen Motor mit Zylinderabschaltung zu betreiben, müssen bereits im Vollmotorbetrieb Vorkehrungen für die Ab - schaltung von Zylindern getroffen werden. Das Differenzverlustmoment muss aus Sicht der Solldrehmomentberechnung vorgesteuert werden. Dieses Drehmoment ergibt sich als Unterschied der Verluste zwischen Vollmotorbetrieb und Zylinderabschaltung. Im Vollmotorbetrieb wird das Solldrehmoment daher um das Differenzverlustmoment erhöht und entfällt bei der Zylinderabschaltung. Somit wird die für die Umschaltung erforderliche richtige Berechnung der Sollluftfüllung für beide Betriebsarten sichergestellt und die Drehmomentneutralität der Umschaltung unterstützt. Die Betriebsartensteuerung der Motronic prüft im Vollmotorbetrieb permanent zahlreiche Bedingungen für die Zylinderabschaltung, ❹. Zu den wichtigsten Eingangsgrößen gehört das vom Motor zu leistende Solldrehmoment, da das bei Zy - linderabschaltung maximal einstellbare Drehmoment begrenzt ist. Die Begrenzung ergibt sich physikalisch aufgrund der Fahreigenschaften sowie der Akustik. Eine weitere wichtige Eingangsgröße ist die Motordrehzahl, da oberhalb einer Grenzdrehzahl keine sichere Schaltung der Gaswechselventile möglich ist. Weitere Eingangsgrößen sind die Motortemperatur und die Fahrzeuggeschwindigkeit. Jeder Eingangsgröße ordnet die Freigabekoordination der Motronic eine Bedingung zu. Für die Entscheidung zur Ab - schaltung von Zylindern müssen alle Bedingungen erfüllt sein. Das Diagnosesystem der Motronic kann eine Anforderung der Zylinderabschaltung verzögern, wenn beispielsweise eine Diagnose, die den Vollmotorbetrieb benötigt, noch nicht abgeschlossen ist. Schließlich prüft die Anforderungsfunktion die Freigabe zur Abschaltung der Gaswechselventile. Erst wenn auch diese Bedingung erfüllt ist, kann die Umstellung in den Zylinderabschaltmodus angefordert werden. Die Motronic koordiniert dabei die Ak - tuatoren des Motors. Die Reihenfolge und der exakte Zeitpunkt aller Schritte, ❺, sind entscheidend, um alle genannten Qualitätskriterien zu erfüllen. Die Um - schaltung beginnt mit der Erhöhung der Luftfüllung, damit die weiterbefeuerten Zylinder das gesamte geforderte Drehmoment des Motors erzeugen können. Bei einem Motor mit einem Saugrohr erfolgt die Erhöhung für alle Zylinder gemeinsam. Bei einem Motor mit getrennten Saugrohren kann die Luftfüllung für die weiterbefeuerte Motorbank unabhängig von der abzuschaltenden Motorbank verändert

4 ❹ Freigabekoordination der Zylinderabschaltung werden. Grundsätzlich muss die Luftfüllung in den weiterhin aktiven Zylindern nicht ganz doppelt so hoch wie im Vollmotorbetrieb sein, da der Luftfüllungsanteil zur Überwindung der Differenz-Ladungswechselverluste wegfällt. Aus der Erhöhung der Sollluftfüllung ergibt sich ein erhöhter Arbeitspunkt. Um exakt das erforderliche Solldrehmoment bereitzustellen, muss der Zündzeitpunkt entsprechend verstellt werden. Sobald über den Luftfüllungsaufbau eine ausreichende Drehmomentreserve geschaffen wurde, sendet die Motronic das Signal, die Gaswechselventile der Zylinder zu deaktivieren, die abgeschaltet werden sollen. Bis zu diesem Zeitpunkt kann die Um schaltung bei erneuter Anforderung Actuating for life Reliable robustness. Dependable precision. Optimal efficiency always. Life demands it, and Sonceboz supplies it. No matter how harsh the environment, no matter how intricate the needed motion. Specify Sonceboz actuators. Simply: they work. For life! Your partner for electric actuators and mechatronic drive solutions 02I Jahrgang 121

5 ENTWICKLUNG Motormanagement ❺ Umschaltsteuerung der Zylinderabschaltung (schematische Darstellung) des Vollmotorbetriebs jederzeit abgebrochen werden. Die Abschaltung beginnt damit, dass der Zylinder ermittelt wird, der als Erster abgeschaltet werden kann. Er wird durch die Winkelposition der relevanten Ein- und Auslassnocken auf der No ckenwelle sowie der Verzugszeiten der Abschaltaktuatorik ermittelt. Die zugehörige Endstufe wird zum exakt richtigen Zeitpunkt angesteuert. Dabei wird be rücksichtigt, dass sich die Gaswechselventile zum Zeitpunkt der tatsächlichen Abschaltung in ihrer Ruhelage befinden müssen. Die Abschaltung der weiteren Zylinder wird in Zündfolge fortgesetzt. Mit der Gaswechselabschaltung des ersten Zylinders wird auch die Einspritzung in die abzuschaltenden Zylinder deaktiviert. Der Index des ersten Zylinders dient außerdem zur Synchronisation aller von der Zylinderabschaltung betroffenen Systeme. Für die Drehmomentneutralität ist von besonderer Bedeutung, dass die Zündung der restlichen Zylinder auf den frühen, optimalen Zündzeitpunkt gestellt wird, sobald der 122 erste abgeschaltete Zylinder kein Drehmoment mehr generiert. Bei einem Motor mit einem Saugrohr muss mit der Abschaltung der Gaswechselventile die Berechnungen des Luftsystems an den verbleibenden effektiven Hubraum angepasst werden. Die Drosselklappenöffnung wird nun wieder verkleinert: Die nicht ganz doppelt so hohe Sollluftfüllung, die sich auf die halbe Zylinderzahl verteilt, führt zu einer Drosselklappenöffnung, die geringer ist als die Öffnung im Vollmotorbetrieb. Bei einem Motor mit getrennten Saugrohren wird auf der aktiven Motorbank über die weiter geöffnete Drosselklappe die Luftfüllung erhöht. Auf der abgeschalteten Motorbank wird die Luftfüllung entsprechend reduziert. Aufgrund des vollständig abgeschalteten Gaswechsels stellt sich dort stationär Umgebungsdruck ein. Der Wechsel der Betriebsart ist mit der Rückmeldung des Gaswechselventilsystems abgeschlossen, der Motor wird nun mit der reduzierten Zylinderzahl betrieben. Die Motronic gewährleistet somit einen drehmomentneutralen Übergang in die Zylinderabschaltung bei gleichzeitig bestmöglicher Effizienz. Dabei wird die Um - schaltung innerhalb weniger Arbeitszyklen vollzogen. Die geringeren Drosselverluste sowie die Ladungswechselverluste, die für die abgeschalteten Zylinder ganz entfallen, reduzieren den Kraftstoffverbrauch. ÜBERGANG IN DEN VOLLMOTORBETRIEB Die Freigabekoordination überwacht kontinuierlich alle erforder lichen Bedingungen für die Zylinderabschaltung. Ist eine davon nicht mehr erfüllt, fordert sie wieder den Vollmotorbetrieb an. Die durchzuführenden Schritte zur Zuschaltung der Zylinder erfolgen in umgekehrter Reihenfolge wie bei der Ab schaltung, 5. Fordert die Betriebsarten koordination die Umschaltung zurück in den Vollmotorbetrieb an, wird zunächst der Zylinder ermittelt, der als Erster zugeschaltet werden kann. Dann beginnt die Reaktivierung der Auslassventile, wodurch der

6 Zylinderinhalt ausgeschoben wird. Es folgt die Zuschaltung der Einlassventile, und der Brennraum wird mit einer definierten Menge an Frischluft gefüllt. Daraufhin aktiviert die Motronic die Einspritzventile und stellt von der Berechnung mit Zylinderabschaltung auf die Berechnung des Vollmotorbetriebs um. Bei Motoren mit einem Saugrohr ist eine explizite Abbauphase der Luftfüllung nicht erforderlich, da sich das Saugrohr durch das Zuschalten der Zylinder bei konstantem Massenstrom selbsttätig evakuiert. Das Luftsystem wird für den vollen Motorhubraum berechnet und die Sollluftfüllung wird entsprechend reduziert, da nun wieder alle Zylinder das Drehmoment erzeugen. Sobald die bisher abgeschalteten Zylinder einen Drehmomentbeitrag leisten, muss die Motorsteuerung den erhöhten Saugrohrdruck, der aus der Phase der Zylinderabschaltung vorliegt, für die Bereitstellung des angeforderten Drehmoments berücksichtigen. Bis sich der Saugrohrdruck auf den stationären Wert für den Vollmotorbetrieb abgesenkt hat, wird das Drehmoment durch Anpassung des Zündzeitpunkts auf das angeforderte Solldrehmoment herabgesetzt. Bei Motoren mit getrennten Saugrohren wird über die Füllungssteuerung die Luftfüllung der aktiven Zylinder reduziert und in den zuvor abgeschalteten Zylindern entsprechend erhöht. Damit kann der Eingriff über den Zündzeitpunkt reduziert werden. Ist der erste Zylinder erreicht, der wieder zugeschaltet werden soll, erfolgt die Aktivierung innerhalb eines Arbeitszyklus. Damit ist ein schnelles Ansprechverhalten des Motors auf veränderte Lastoder Drehzahlanforderungen sichergestellt. Die Umschaltung in den Vollmotorbetrieb ist abgeschlossen, wenn die Rückmeldung des Gaswechselventilsystems vorliegt. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Durch die Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb können Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen von Verbrennungsmotoren reduziert werden, ohne das Leistungsverhalten und den Fahrkomfort zu beeinträchtigen. Die präzise und in tel ligente Steuerung der Motoraktuatoren über die Motorsteuerung ist dabei eine wichtige Einflussgröße für die Qualität des Gesamtsystems und die Zufriedenheit des Endkunden bei der Beurteilung der Fahreigenschaften. Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik lassen sich weitere Optimierungspotenziale nutzen. Der Drehmomentbereich kann über die Abschaltung einer variablen Zylinderzahl zusätzlich erweitert werden. Das Motorenkonzept der Zylinderabschaltung kann darüber hinaus signifikant zur weiteren Effizienzverbesserung von Hybridfahrzeugen beitragen. Dabei können die Vorteile der Zylinderabschaltung im stationären Teillastbetrieb mit den Vorteilen des Hybridsystems im instationären Betrieb kombiniert werden. DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: springervieweg-service@springer.com 02I Jahrgang 123