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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
dem US-Patent 6.009.841 wird ein Motor mit Hybrid-Ventiltrieb beschrieben,
bei dem ein Einlaßventil
durch eine andere Energiequelle als eine Nockenwelle betätigt wird.
Dieses erste Einlaßventil ist
wahlfrei steuerbar, was bedeutet, daß die Ventilöffnungs-
und Ventilschließvorgänge von
der Stellung der Motor-Kurbelwelle unabhängig sind, das Ventil also
voll variabel ist. Ein zweites Einlaßventil wird durch eine Nockenwelle
betätigt
und weist eine Abschaltvorrichtung auf. Die Funktion des zweiten
Ventils kann innerhalb eines Matorzyklus unterbrochen oder wiederaufgenommen
werden, und dieses Ventil wird hierin als zuschaltbares Einlaßventil
bezeichnet. Das(die) Auslaßventil(e)
des Hybrid-Ventiltriebs wird (werden) in an sich bekannter Weise
durch die Nockenwelle betätigt.
Wie im US-Patent 6.009.841 offengelegt, liegt der Vorteil eines
solchen Systems gegenüber
völlig
nockenwellenlosem Motorbetrieb in verbesserter Kraftstoffökonomie.
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In
dem US-Patent 6.009.841 wird das Verfahren beschrieben, bei dem
unter Verwendung eines wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
Luft angesaugt wird, wenn der Motor im untersten Drehmomentbereich
arbeitet, wobei ein zuschaltbares Einlaßventil verwendet wird, wenn
der Motor in einem mittleren Drehmomentbereich arbeitet, und es
werden sowohl das wahlfrei steuerbare Einlaßventil als auch das zuschaltbare
Einlaßven til
eingesetzt, wenn der Motor im Bereich des höchsten Drehmoments arbeitet.
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In
dem US-Patent 5.647.312 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem
Luft durch ein wahlfrei steuerbares Einlaßventil angesaugt wird, wenn
der Motor im unteren Motordrehmoment- und Motordrehzahlbereich arbeitet,
und die Luft wird unter Verwendung des zuschaltbaren Einlaßventils
angesaugt, wenn der Motor im hohen Motordrehzahl- und Motordrehmomentbereich
arbeitet.
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Sowohl
das US-Patent 6.009.841 und das US-Patent 5.647.312 lehren, daß die Durchführung von Übergängen zwischen
Betriebsmodi das Aktivieren und Deaktivieren von Ventilen involviert.
Die Erfinder haben erkannt, daß das
bloße
Ein- und Ausschalten von Ventilen zu Ausschlägen beim Motordrehmoment führt, die
für den
Fahrer spürbar
und lästig
wären.
Die Erfinder haben des weiteren erkannt, daß das Potential für Vorteile
beim Kraftstoffverbrauch von hybriden Ventiltrieben, wie im US-Patent
6.009.841 offenbart, von geeigneten Verfahren zur Durchführung von Übergängen zwischen
den Betriebsmodi abhängt,
ansonsten wird das Potential der Kraftstoffersparnis nicht realisiert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Verfahren anzugeben, die Unregelmäßigkeiten
beim Drehmoment reduzieren, die während verschiedener Betriebsbedingungen
für den
Fahrer lästig
sein können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein derartiges Verfahren
wird in einem Verbrennungsmotor durchgeführt, dessen Motor mindestens
einen Zylinder, mindestens ein wahlfrei steuerbares Einlaßventil, mindestens
ein zuschaltbares Einlaßventil
mit vorher bestimmten Schließzeitpunkt
und mindestens ein Doppelklappenventil in dem Ansaugsystem des genannten
Motors und ein Motorsteuergerät
aufweist. Beim Verfahren wird zunächst ein Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
geliefert, der später
als der vorherbestimmte Ventilschließzeitpunkt liegt.
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Weiterhin
wird bei Betrieb des zuschaltbaren Einlaßventils als Reaktion auf den
Schritt der Lieferung eines Schließzeitpunkts gestartet.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den an sich an den
Hauptanspruch anschließenden
Ansprüchen
1 bis 34.
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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:
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1 eine
schematische Darstellung eines Motors mit Hybrid-Ventiltrieb mit Schnittansichten des
Zylinderkopfs und des Kraftstofftank-Rückgewinnungs- und -Spülsystems,
auf das erfindungsgemäße Merkmale
Anwendung finden;
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1A eine
schematische Querschnittsansicht des Zylinderkopfs mit einem Querschnitt
durch das zuschaltbare Einlaßventil;
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1B eine
schematische Querschnittsansicht des Zylinderkopfs mit einem Querschnitt
durch das wahlfrei steuerbare Einlaßventil;
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2 ein
typisches Motorbetriebskennfeld, in dem die Bereiche mit den verschiedenen
Betriebsarten der Hybrid-Ventiltriebsteuerung
erläutert
werden;
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3a eine
grafische Darstellung von Hubprofilen des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
für frühe und späte Schließzeitpunkte
nach einem Merkmal der Erfindung;
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3b eine
grafische Darstellung des Einlaßventilschließzeitpunktes
mit der Darstellung der im Zylinder eingeschlossene Frischfüllungsmenge;
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3c eine
grafische Darstellung des Einlaßventilschließzeitpunktes
mit der Darstellung des Reduktionsfaktors der eingeschlossenen Frischfüllung nach
einem Merkmal der Erfindung zeigt;
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3d eine
grafische Darstellung des Einlaßventilschließzeitpunktes
mit der Darstellung der Temperatur der eingeschlossenen Frischfüllung;
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4a eine
grafische Darstellung von Ventilhubprofilen sowohl für das wahlfrei
steuerbare wie auch das zuschaltbare Ventil;
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4b eine
grafische Darstellung der Auswirkung variierender Schließvorgänge des
wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
bei gleichzeitiger Betätigung
des zuschaltbaren Einlaßventils
auf die eingeschlossene Frischfüllung;
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5a den
zeitlichen Verlauf der Drosselklappenstellung für einen Übergang nach einem Merkmal
der Erfindung;
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5b den
zeitlichen Verlauf des Schließvorgangs
eines wahlfrei steuerbaren Einlaßventils für einen Übergang nach einem Merkmal
der Erfindung;
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5c den
zeitlichen Ablauf des absoluten Drucks im Ansaugkrümmer für einen Übergang
nach einem Merkmal der Erfindung;
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5d den
zeitlichen Ablauf des mechanischen Ventilstatus für einen Übergang
nach einem Aspekt der Erfindung;
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6 ein
Flußdiagramm
der zur Durchführung
eines Übergangs
von einem Bereich mit einer niedrigeren Motordrehzahl und einem
niedrigeren Motordrehmoment zu anderen Betriebsbedingungen nach
einem Merkmal der Erfindung erforderlichen Schritte;
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7 ein
Flußdiagramm
der zur Ausführung eines Übergangs
von einem Bereich mit einer höheren
Motordrehzahl und einem niedrigeren Motordrehmoment zu anderen Betriebsbedingungen
nach einem Merkmal der Erfindung erforderlichen Schritte;
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8a ein Flußdiagramm der zur Ausführung eines Übergangs
von einem Bereich mit einem höheren
Motordrehmoment zu anderen Betriebsbedingungen nach einem Merkmal
der Erfindung erforderlichen Schritte;
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8b ein Flußdiagramm der zur Ausführung eines Übergangs
von einem Bereich mit einem höheren
Motordrehmoment zu anderen Betriebsbedingungen nach einem Merkmal
der Erfindung erforderlichen Schritte;
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9 ein
Flußdiagramm
der zur Ausführung eines Übergangs
zwischen mittlerer Motordrehmoment-Belastung und der niedrigsten
Motordrehmoment-Belastung nach einem Merkmal der Erfindung erforderlichen
Schritte; und
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10 ein
Flußdiagramm
eines Verfahrens, bei dem Eingabewerte für das benötigte Motordrehmoment und die
Drehzahl verwendet werden können,
um den Einlaßventilschließzeitpunkt
und die Drosselklappenstellung als Funktionen von Zeitpunkten von
Befehlen an Stellglieder nach einem Merkmal der Erfindung zu steuern.
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Nach 1 weist
der Motor 10 wenigstens einen Zylinder 4 auf.
Der Zylinderkopf des Motors 10 weist das zuschaltbare Einlaßventil 18,
das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 und
Auslaßventile 20 auf. Eine
Drosselklappe 14 ist im Ansaugkrümmer 12 des Motors 10 angeordnet.
Die verbrannten Gase werden durch eine Abgasleitung 24 abgeführt. Das
Motorsteuergerät 26 dient
dazu, das zuschaltbare Einlaßventil 18 zu
aktivieren und zu deaktivieren, das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 zu
betätigen
und die Stellung der elektronisch gesteuerten Drosselklappe 14 zu
regeln. Verschiedene Motorsensoren 28, zum Beispiel ein
Abgassauerstoffsensor, ein Luftmassensensor und ein Motordrehzahlsensor,
versorgen das Motorsteuergerät 26 mit
Signalen.
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Mit
Bezug auf das in 1a dargestellte Schnittbild
werden das zuschaltbare Einlaßventil 18 und
das Auslaßventil 20 jeweils
durch die Nockenwellen 2 bzw. 3 betätigt. Daher
beruht die Steuerung der Vorgänge
auf der Rotationsstellung des Motors. In dem in 1b dargestellten
Querschnitt wird das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 durch ein
elektromechanisches Stellglied angetrieben. Ebenso kann ein elektrohydraulisches
Stellglied verwendet werden. Die Ventilvorgänge an dem wahlfrei steuerbaren Einlaßventil 16 sind
voll flexibel und werden durch das Motorsteuergerät 26 gesteuert.
Das Auslaßventil 20 wird
durch die Nockenwelle 3 betätigt. Wie in den 1A und 1B dargestellt
sind ein Kolben 5, der sich im Zylinder 4 hin
und her bewegt, eine Einlaßöffnung 6 und
eine Auslaßöffnung 8 vorhanden.
Die Einlaßöffnungen 6 und
die Auslaßöffnungen 8 sind mit
entsprechenden (nicht dargestell ten) Ansaug- und Auspuffkrümmern verbunden
und bilden dadurch die Ansaugleitung 12 bzw. Abgasleitung 24.
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Ein
an sich bekanntes Kraftstoffdampf-Rückgewinnungs- und Spülsystem
für einen
Kraftfahrzeugmotor wird ebenfalls in 1 dargestellt.
Der Motor 10 steht mit einer Ansaugleitung 12 und
einer Auslaßleitung 24 in
Verbindung. Dem Ansaugkrümmer 12 wird
durch eine Kraftstoff-Einspritzdüse 42 Kraftstoff
zugemessen. Die Drosselklappe 14 befindet sich in der Ansaugleitung 12.
Der Kraftstofftank 48 enthält eine im Tank eingebaute
Kraftstoffpumpe 50, die die Kraftstoff-Einspritzdüse 42 über eine Kraftstoffzuleitung 44 mit
Kraftstoff versorgt. Der Kraftstofftank 48 wird durch das
Kraftstoff-Einfüllrohr 46 aufgefüllt; der
Tankverschluß 68 wird
für das
Befüllen
entfernt. Die flüssigen
Bestandteile des Kraftstoffs fallen durch das Rohr 62.
Gasförmige
Bestandteile können
durch die Dampfrückführungsleitung 66 weiterströmen. Während des
Befüllens
des Kraftstofftanks 48 wird das keinen flüssigen Kraftstoff
enthaltende Volumen durch gasförmige
Bestandteile in Anspruch genommen, die durch den einströmenden flüssigen Kraftstoff
in die Dampfrückführungsleitungen 64 und 66 gedrückt werden.
Die Dampfrückführungsleitungen 64 und 66 führen zu
dem Aktivkohlebehälter 52,
der Aktivkohle zur Aufnahme der Kraftstoffdämpfe enthält. Der Aktivkohlebehälter 52 wird regelmäßig gespült. Das
Spülen
erfolgt durch Öffnen der
Ventile 54 und 58, wodurch frische Spülluft durch die
Frisch-Spülluft-Ansaugleitung 56 strömen kann. Die
aus dem Aktivkohlebehälter 52 austretenden Gase
enthalten sowohl Frischluft als auch Kraftstoffdämpfe, die durch das Ventil 58 und
die Leitung 60 weiter befördert werden. Die Leitung 60 mündet unterhalb
der Drosselklappe 14 in den Einlaß 12 ein. Der Durchsatz
vom Aktivkohlebehälter-Kreislauf über die
Elemente 56, 54, 52, 58 und 60 in
den Einlaß 12 und
schließlich zum
Motor 10 zwecks Verbrennung findet unter Unterdruck in
der Ansaugleitung 12 unterhalb der Drosselklappe 14 statt.
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In 2 wird
ein Betriebskennfeld eines typischen fremdgezündeten Motors dargestellt.
Die obere Kurve 40 ist für das maximale Drehmoment charakteristisch,
welches der Motor als Funktion der Drehzahl abgibt. Es werden Betriebsbereiche
dargestellt, in denen das wahlfrei steuerbare Ventil alleine arbeitet,
Bereiche, in denen das zuschaltbare Ventil alleine arbeitet und
Bereiche in denen beide Ventile arbeiten. Bei einem höheren Drehmoment
werden für alle
Drehzahlen, Bereich 30, beide Einlaßventile benutzt. Durch Verwendung
beider Einlaßventile
kann die größtmögliche Luftmenge
eintreten, und dadurch kann der Motor sein maximales Drehmoment
abgeben. Wird Ansaugluft lediglich durch ein einziges Ventil angesaugt,
ist die Strömungsgeschwindigkeit durch
diese Einlaßöffnung und
dieses Ventil im Vergleich zum Ansaugen der Frischfüllung durch
zwei Ventile etwa doppelt so hoch, sofern die Ventile eine vergleichbare
Größe haben.
Dies führt
zum Zeitpunkt der Verbrennung zu höherer Turbulenz im Zylinder. Obwohl
unter Randverbrennungsbedingungen eine hohe Turbulenz ein erwünschter
Zustand ist, führt
sie unter robusten Betriebsbedingungen, wie sie beispielhaft durch
Bereich 30 dargestellt sind, zu übermäßig schneller Verbrennung oder
Verbrennungsrauheit. Im Bereich 36 nach 2 wird
lediglich das zuschaltbare Einlaßventil 18 verwendet.
Der Bereich 36 erfordert keinen maximalen Luftdurchsatz,
da kein maximales Drehmoment benötigt
wird. Der Bereich 30 ist zu wählen, wenn der Bereich 36 keinen
ausreichenden Luftdurchsatz erlaubt oder wenn die Verbrennung bei
Verwendung nur des zuschaltbaren Einlaßventils 18 zu rauh
ist.
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Es
werden Kriterien vorgesehen, um festzustellen, wann ein Übergang
gewünscht
wird. Die Entscheidung, wann ein Übergang von Bereich 36 auf Bereich 32 oder
Bereich 34 stattfinden soll, hängt davon ab, ob das zuschaltbare
Einlaßventil 18 oder
das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 die
effizientere Funktionsweise bietet. Der Wirkungsgrad richtet sich nach
dem Energieverbrauch für
die Rotation der Einlaß-Nockenwelle,
dem Energieverbrauch zur Betätigung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 und nach
den Pumpverlusten, d.h. dem Energieverbrauch für das Ersetzen verbrauchter
Verbrennungsgase durch eine Frischfüllung.
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Der
Bereich 32 ist ein Bereich, in dem die Einlaßventilschließung des
wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 entsprechend
dem benötigten
Motordrehmoment eingestellt werden kann. In 3a werden
Hubprofile für
das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 dargestellt.
Der Einlaßventilschließzeitpunkt kann
gegenüber
der Zeiteinstellung, die, wie in 3b dargestellt,
die maximale eingeschlossene Frischfüllung bewirkt, nach früh oder nach
spät verstellt
werden. Durch genaue Anpassung des Einlaßventilschließzeitpunktes
wird die Soll-Frischfüllung eingeschlossen.
Wie in 3b dargestellt, wird die Menge
der eingeschlossenen Frischfüllung
sowohl durch späte
als auch frühe
Einlaßventilschließung verringert.
Im Falle eines späten
Schließzeitpunktes wird
ein Teil der induzierten Frischluftladung vor dem Schließen des
Einlaßventils
aus dem Verbrennungsraum herausgepreßt. Die Menge der im Zylinder
verbleibenden Frischluft wird in 3b dargestellt.
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Bei
späten
Einlaßventilschließzeitpunkten erhöht sich
die Frischfüllungstemperatur;
dies steht im Gegensatz zu frühen
Einlaßventilschließzeitpunkten,
die sich, wie in 3c dargestellt, nur geringfügig auf
die Frischfüllungstemperatur
auswirken. Es kann Gründe
dafür geben,
einer Verstellung des Schließzeitpunktes
nach früh
oder nach spät
den Vorzug zu geben, was sich in der weiteren Entwicklung des Verfahrens
zeigen wird. Nichtsdestoweniger erhält die Steuerung des Motordrehmoments
durch Verstellung des Einlaßventilschließzeitpunktes
den Vorzug gegenüber
einer Drosselung, da somit die Pumpverluste reduziert werden und
ein höherer
Gesamtwirkungsgrad erzielt wird. Wenn das angeforderte Drehmoment
reduziert wird, kann eine Motordrehmomentsteuerung durch Verstellung
des Schließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 zu
instabiler Verbrennung führen.
Je nach der für
eine bestimmte Anwendung gewünschten Verbrennungsstabilität kann ein
Drehmomentwert festgelegt werden, bei dessen Unterschreitung die Motordrehmomentsteuerung
durch Drosselung stattfindet. Der Unterschied zwischen den Bereichen 32 und 34 liegt
somit darin, daß innerhalb
des Bereichs 34 eine Drosselung stattfindet.
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Die
Verbrennungsstabilität
hängt mit
der Standardabweichung der in einem Zylinder auf Taktbasis erzeugten
Leistung zusammen. Eine niedrige Standardabweichung, d.h. also,
daß von
Takt zu Takt konstante Leistung erzeugt wird, weist auf eine stabile
Verbrennung hin, und umgekehrt. Erfindungsgemäß kennzeichnet ein Rückgang der
Verbrennungsstabilität
eine Zunahme der Standardabweichung, und eine Verbesserung der Verbrennungsstabilität kennzeichnet
einen Rückgang
der Standardabweichung.
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Innerhalb
des Bereiches 34 nach 2 ist es wünschenswert,
das für
die Motordrehmomentregelung erforderliche Drosselungsniveau abzuschwächen. Daher
wird die Einlaßventilschließung je
nach verwendetem Steuerverfahren soweit wie möglich nach früh oder nach
spät verstellt,
während
gleichzeitig eine zufriedenstellende Verbrennungsstabilität erhalten
bleibt. Es kann sich zeigen, daß,
wenn das Motordrehmoment reduziert wird (innerhalb des Bereiches 34),
d.h. die Drosselklappe geschlossen ist, der Einlaßventilschließzeitpunkt
verändert
werden muß,
um eine robuste Verbrennung aufrechtzuerhalten.
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Da
sich der Bedarf an Motordrehmoment oder Motordrehzahl während des
Betriebs ändert, wird
ein Wechsel zwischen den Bereichen in 2 erwünscht sein.
Der Übergang
zwischen den verschiedenen Betriebsbereichen sollte für den Benutzer
des Fahrzeugs nicht wahrnehmbar sein.
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Ein Übergang
von Bereich 32 auf 34 findet statt, wenn die Verbrennungsstabilität im Bereich 32 geringer
wird als erwünscht.
Ein glatter Übergang von
Bereich 32 auf Bereich 34 findet durch das Schließen der
Drosselklappe statt, um den gewünschten
Drehmomentwert zu erreichen.
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Der Übergang
vom Bereich 32 auf den Bereich 30 findet statt,
wenn der Ventilschließzeitpunkt des
wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 bei
dem Punkt liegt, der die maximale eingeschlossene Frischfüllung liefert.
Es kann erwünscht
sein, einen Übergang
vom Bereich 32 auf Bereich 30 aufgrund eines Grenzwertes
herbeizuführen,
der durch die zulässige
Verbrennungsrauheit vorgegeben ist, um nicht die Kontrolle über den
Einlaßventilschließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Ventils zu verlieren. Eine weitere Zunahme
des Motordrehmoments wird durch Aktivierung des zuschaltbaren Einlaßventils 18 erreicht.
Gleichzeitig wird der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
soweit nach spät verstellt,
daß der
Luftdurchsatz vor und nach dem Übergangszyklus
im wesentlichen konstant ist.
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Im
Bereich 30 wird die Motordrehmomentregelung durch Steuerung
des Ventilschließzeitpunktes des
wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 erreicht. Wie
in 2b dargestellt, kann das Drehmoment durch
späte Einlaßventilschließung des
wahl frei steuerbaren Einlaßventils 16 geregelt
werden, während
sich eine frühe
Einlaßventilschließung nur
minimal auf die eingeschlossene Ladung auswirkt.
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Ein Übergang
vom Bereich 36 auf den Bereich 30 ist dann erwünscht, wenn
das zuschaltbare Einlaßventil 18 allein
keine ausreichende Frischluftfüllung
liefert. Wird ein Übergang
benötigt,
wird das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 mit spätem Schließzeitpunkt
aktiviert, wovon die eingeschlossene Frischfüllung unbeeinflußt bleibt.
Der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 wird zur
Erhöhung
der eingeschlossenen Frischfüllungsmasse
nach Bedarf nach früh
verstellt. Der umgekehrte Übergang
(vom Bereich 30 auf den Bereich 36) findet statt,
wenn die eingeschlossene Frischfüllung
durch das zuschaltbare Einlaßventil 18 allein
bewirkt werden könnte.
Es kann sich zeigen, daß der Übergang
nicht auf Kapazitätszwängen basiert,
sondern vielmehr die Verbrennungsrauheit der ausschlaggebende Faktor
ist. Es können
also Betriebsbedingungen vorliegen, unter denen das zuschaltbare
Einlaßventil 18 allein
eine ausreichende Frischfüllung
bewirken kann, während
jedoch die daraus resultierende Verbrennungsrauheit einen gewünschten Wertes überschreitet.
In diesem Fall findet ein Übergang
vom Bereich 36 auf den Bereich 30 aufgrund der
Verbrennungsrauheit statt.
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Die
Bereiche 32 oder 34 erhalten gegenüber dem
Bereich 36 den Vorzug, wenn folgende Gleichung zutrifft: PWroiv + Wroiv + FW'siv + CLroiv > PWsiv + FWsiv + CLsivworin PWroiv
die Pumparbeit des Motors mit dem wahlfrei steuerbaren Einlaßventil 16 bezeichnet, Wroiv
die aus dem Motor abgeleitete Arbeit für den Antrieb des wahlfrei
steuerbaren Einlaßventils 16 ist, PWsiv
die Pumparbeit des Motors unter Verwendung nur des zuschaltbaren
Einlaßventils 18 ist,
FWsiv die Reibungsarbeit ist, die durch den Antrieb des zuschaltbaren
Einlaßventils 18 verlorengeht,
FW'siv die Reibungsarbeit
ist, die durch den Antrieb der Nockenwelle verlorengeht, wenn das
zuschaltbare Einlaßventil 18 abgeschaltet
wird. FW'siv ist
erheblich kleiner als FWsiv, ist jedoch infolge der Rotationsreibung
in der Nockenwelle selbst dann nicht vernachlässigbar, wenn das zuschaltbare
Einlaßventil 18 abgeschaltet
wird. CLroiv und CLsiv sind Taktverluste, die mit der Betätigung des
wahlfrei steuerbaren bzw. des zuschaltbaren Einlaßventils
einhergehen. Taktverluste sind die Differenz zwischen der idealen
Taktarbeit, die für
eine Ottomotor-Taktfolge erzielbar wäre, und der tatsächlich erzeugten
Arbeit. Die tatsächlich
erzeugte Arbeit ist infolge von Wärmeübertragung, Verbrennungszeitverlusten
(d.h. der endlichen Verbrennungsdauer), von Phasenabläufen bei
der Verbrennung und anderen Faktoren geringer als die ideale Taktarbeit.
Die Wahl zwischen der Verwendung des zuschaltbaren Einlaßventils 18,
Bereich 36, und der Verwendung des wahlfrei steuerbaren
Einlaßventils 16,
Bereiche 32 und 34, basiert auf einer Minimierung
der auf die Ventilbetätigung
und die Pumparbeit zurückzuführenden
Verluste. Wenn obige Gleichung nicht erfüllt wird, wählt das Steuersystem den Bereich 36,
d.h. es wird nur das wählbare Einlaßventil 18 betätigt.
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Die
oben beschriebenen Größen können wie folgt
berechnet oder geschätzt
werden. Die Pumparbeit (PW) ist primär eine Funktion des Krümmerdrucks,
der Motordrehzahl und des Motorhubraums und könnte in einer Nachschlagtabelle
oder in Gleichungsform im Motorsteuergerät abgelegt sein. Der mit dem
Antrieb der Einlaßnockenwelle
einhergehende Energieverlust ist primär eine Funktion der Motordrehzahl.
Dies ist eine Größe, die
an einem repräsentativen
Motor gemessen werden könnte,
und die Daten könnten
auf alle Motoren des gleichen Typs angewandt werden. Dabei könnte es
sich um eine Nachschlagtabelle oder eine Gleichung im Motorsteuergerät handeln.
Es gäbe
zwei verschiedene Tabellen oder Gleichungen, eine für den Fall,
bei dem das zuschaltbare Einlaßventil 18 aktiviert
wird, und eine für den
Fall, bei dem es abgeschaltet wird. Die vom Motor abgegriffene Leistung
zur Betätigung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 ist
eine Größe, die
im Verlauf der Entwicklung des wahlfrei steuerbaren variablen Einlaßventils
ermittelt würde.
Die Auslegungsvariablen, die sich auf den Leistungsbedarf auswirken
würden,
sind die Größe des Ventils,
das gewählte
Hubprofil und die zur Betätigung
des Ventils verwendeten Antriebe. Ein schnellerer Ventilhub verbraucht
zum Beispiel mehr Energie. Die Faktoren außerhalb der Ventilauslegung,
die den Stromverbrauch bestimmen würden, sind der Wirkungsgrad der
Motorlichtmaschine bei der Erzeugung von Strom, Systemverluste bei
der Speicherung und Entnahme von elektrischem Energie, Spannungsumwandlungsverluste
und der Druck im Zylinder zum Zeitpunkt der Ventilbetätigung.
Alle diese Größen hängen mit
Ausnahme des Zylinderdrucks hängen von
der Systemauslegung ab. Somit ist bei einer bestimmten Auslegung
die für
die Betätigung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 verbrauchte
Leistung primär
eine Funktion des Zylinderdrucks. Weitere Abhängigkeiten können sich
im Verlauf der Entwicklung zeigen. Das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 kann
alternativ elektrohydraulisch oder auf andere Weise betätigt werden.
Im Fall einer elektrohydraulischen Betätigung wird Leistung für den Antrieb einer
Pumpe zum Aufbau des Hydraulikdrucks, für (weitgehend von der Temperatur
der Hydraulikflüssigkeit
abhängige)
hydraulische Verluste in den Systemleitungen und für elektrische
Verluste bei der Betätigung
steuernder Magnetventile sowie die Auswirkung des Hubprofils, der
Ventilgröße und der
oben erwähnten
Zylinderdruckeffekte verbraucht.
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Die
Herbeiführung
des Übergangs
zwischen den Bereichen 32 oder 34 zum Bereich 36 wird
in der in 5 dargestellten Zeitlinie
wiedergegeben. Wenn zum Zeitpunkt des Übergangs das wahlfrei steuerbare
Einlaßventil 16 mit
nach früh
verstelltem Schließzeitpunkt
arbeitet, wird beim nächsten
Motortakt ein nach spät
verstellter Schließzeitpunkt
gewählt,
der die gleiche eingeschlossene Frischfüllungsmasse erbringt. In 3b nimmt
die eingeschlossene Frischfüllung
beiderseits des Spitzenwertes ab. Damit kommt es zu einer Zeitsteuerung
nach spät,
die gewählt
werden kann und bei der die eingeschlossene Frischfüllung und
infolgedessen das abgegebene Motordrehmoment den Werten der Verstellung
nach früh
entspricht. Beim nächsten
Motortakt kann das zuschaltbare Einlaßventil 18 freigegeben
werden. Die eingeschlossene Frischfüllung wird durch Aktivierung
des zuschaltbaren Einlaßventils 18 nicht
merklich beeinflußt,
wenn das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 mit einem
nach spät
verstellten Ventilschließzeitpunkt
arbeitet. Im Verlauf der nächsten
Motortakte wird der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
gleichzeitig mit dem Schließen
der Drosselklappe nach früh
verstellt. Diese Vorgänge
werden so koordiniert, daß die
eingeschlossene Frischfüllung
im wesentlichen konstant ist, was erfindungsgemäß bedeutet, daß ein im
wesentlichen konstantes Motordrehmoment zustande kommt oder sich
während
des erwünschten
Drehmomentverlaufs allmählich ändert. Eine Änderung
des Einlaßventilschließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 kann
in einem einzigen Motortakt bewirkt werden. Im Gegensatz dazu führen, selbst
wenn sich eine Veränderung
der Drosselklappenstellung schnell bewerkstelligen läßt, Überlegungen
hinsichtlich der Ansaugkrümmerfüllung dazu, daß der Ansaugkrümmerdruck über mehrere
Motortakte reagiert. Der in 4 dargestellte Übergang
findet somit innerhalb weniger Motortakte bis zu einigen Dutzend
Motortakten statt. In dem Maße
wie die zeitliche Einstellung des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 weiter
nach früh
verstellt wird, hat sie schließlich
keine Auswirkung mehr auf die Menge der eingeschlossenen Frischfüllung. An
diesem Punkt kann abgeschaltet werden.
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Der
umgekehrte Übergang
(vom Bereich 36 auf den Bereich 32 oder den Bereich 34 nach 2) erfolgt
analog: Das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 wird bei
einer Verstellung nach früh
so aktiviert, daß dies
keine Auswirkung auf die eingeschlossene Frischfüllung hat. Der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 wird
gleichzeitig mit dem Öffnen
der Drosselklappe so nach spät
verstellt, daß die
eingeschlossene Frischfüllung
im wesentlichen konstant bleibt. Wenn der Schließzeitpunkt des wahlfrei steuerbaren
Ventils ausreichend nach spät verstellt
ist, wirkt sich das zuschaltbare Einlaßventil 18 nicht mehr
auf die eingeschlossene Frischfüllung aus
und kann abgeschaltet werden.
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Die
Unterscheidung zwischen einem Übergang
von Bereich 32 auf den Bereich 36 und einem Übergang
von Bereich 34 auf den Bereich 36 besteht darin,
daß die
Drosselklappe in ersterem Fall anfänglich voll geöffnet und
der anfängliche
Krümmerdruck der
atmosphärische
Druck ist und daß sie
im letzteren Fall teilweise offen ist, d.h. der Druck liegt unterhalb
des atmosphärischen
Drucks.
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Es
ist wünschenswert,
die Anzahl der Übergänge, die
das Motorsteuergerät
bewirken muß,
zu begrenzen. Während
sich also das benötigte
Motordrehmoment und die Drehzahl einem neuen Bereich (innerhalb
von 2) annähern,
kann der Übergang verzögert werden,
bis das geforderte Motordrehmoment und die geforderte Drehzahl den
Grenzwert um einen vorherbestimmten Wert überschreiten. Die Grenzen nach 2 können als
Bänder
betrachtet werden. Bei Annäherung
an eine Grenze findet der Übergang
erst statt, wenn der benötigte
Betriebszustand den entfernten Rand der Grenze überschreitet. Ein Übergang
vom Bereich 36 auf den Bereich 30 würde somit
am oberen Rand des Motordrehmoments an der Grenze zwischen den beiden
Bereichen stattfinden. Umgekehrt würde ein Übergang vom Bereich 30 auf
den Bereich 36 am unteren Rand des Motordrehmoments an
der Grenze zwischen den beiden Bereichen stattfinden.
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Übergänge zwischen
Bereichen nach 2, die das Schließen oder Öffnen der
Drosselklappe beinhalten, können
infolge von Krümmerfüllungsverzögerungen
mindestens eine und bis zu 20 Motorumdrehungen erfordern. Das Drosselklappenventil
kann in einer zeitlichen Größenordnung
von 100 ms betätigt
werden. Um den Krümmer
mit Luft zu füllen,
sind jedoch zahlreiche Motorumdrehungen nötig, um die Trägheit der
Gase zu überwinden.
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Erfindungsgemäß bedeutet
ein im wesentlichen konstantes Motordrehmoment entweder ein konstantes
Drehmoment oder einen Drehmomentverlauf entlang eines gewünschten
Pfads, d.h. die Motordrehmomentabweichung vom Soll-Verlauf ist gering
oder für
den Benutzer des Fahrzeugs nicht zu bemerken.
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Die
Zündzeitpunktverstellung
nach spät
oder nach früh
ist ein wirksames Instrument, welches zum Ausgleich von Übergängen eingesetzt
werden kann. Der Vorteil einer Zündzeitpunktverstellung
nach früh liegt
darin, daß die Änderung
in einem Motortakt vonstatten gehen kann. Außerdem übt die Zündzeitpunktverstellung großen Einfluß auf die
Motordrehmomentsteuerung aus. Die Zündzeitpunktverstellung wirkt
sich jedoch typischerweise negativ auf die Kraftstoffökonomie
aus. Sie stellt somit ein sekundäres
Instrument zur Verfeinerung der Übergänge dar.
-
Eine
Größe, die
bei der Entwicklung ermittelt werden kann, ist rpmt (in 2 ausgewiesen),
wobei es sich um die Schwellendrehzahl zwischen den Bereichen 32 und 36 handelt.
Diese Größe wird
nachstehend im Hinblick auf die bei der Auswahl der Betriebsbereiche
angewandten Steuerstrategie erörtert.
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3a zeigt
das Ventilhubprofil für
einen frühen
und einen späten
Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16. 3b stellt
die daraus resultierende eingeschlossene Frischfüllung als Funktion des Schließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 dar.
Eine maximale eingeschlossene Frischfüllung kommt bei einem bestimmten
Ventilschließzeitpunkt
zustande. Bei Schließzeitpunkten
des Ventils reduzieren Verstellungen nach früh oder nach spät die Menge
der eingeschlossenen Frischfüllung
gegenüber
diesem Maximum. Das Volumen der eingeschlossenen Frischfüllung ist
der Hauptfaktor bei der Bestimmung des vom Motor erzeugten Drehmomentwerts.
Wenn nur das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 arbeitet,
kann entweder eine Verstellung nach spät oder eine Verstellung nach
früh gewählt werden,
um eine bestimmte eingeschlossene Soll-Frischfüllung zu erzielen. Die eingeschlossene
Frischfüllung
kann dadurch standardisiert werden, daß die eingeschlossene Frischfüllung bei
einem bestimmten gegebenen Einlaßventilschließzeitpunkt
(IVC) durch die maximale eingeschlossene Frischfüllung dividiert wird. Die standardisierte
Größe wird
als Reduktionsfaktor für
die eingeschlossene Frischfüllung
bezeichnet. Wie in 3c dargestellt, liegt der Reduktionsfaktor
für die
eingeschlossene Frischfüllung
zwischen 0 und 1.
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Beim
Betrieb innerhalb des Bereichs 34 nach 2 erfolgt
die Steuerung des Motordrehmoments primär durch Drosselung und sekundär durch
zeitliche Koordinierung des Schließzeit punkts des Einlaßventils.
Wie in 3b dargestellt, könnte zur
Herbeiführung
einer eingeschlossenen Soll-Frischfüllung eine Verstellung des
Ventilschließzeitpunkts
nach früh
oder nach spät
verwendet werden. In 3d wird die daraus resultierende
Frischfüllungstemperatur
dargestellt. Bei Verstellungen nach früh ist die Frischfüllungstemperatur
im wesentlichen konstant, während
die Frischfüllungstemperatur
als Funktion der Verstellung nach spät ansteigt. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß das Einlaßventil
bei Verstellung nach früh
vorzeitig geschlossen wird, um die Menge der eingeschlossenen Frischfüllung zu
begrenzen. Bei Verstellungen nach spät wird der Zylinder mit Frischfüllung gefüllt, und
die Frischfüllung
wird aus dem Zylinder herausgepreßt, während sich der Kolben nach
oben bewegt. In diesem Fall kommt die Frischfüllung mit den heißen Zylinderoberflächen und dem
heißen
Einlaßventil
mehrfach in Berührung
und wird stärker
erwärmt
als im Fall einer Verstellung des Schließzeitpunktes des Einlaßventils
nach früh.
Es kann sich zeigen, daß sich
eine höhere
Frischfüllungstemperatur
günstig
auf eine verbesserte Verbrennungsstabilität auswirkt. Innerhalb des Bereiches 36,
bei dem die Verbrennungsstabilität
ein kritischer Punkt ist, kann somit einer Verstellung des Schließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 nach
spät auf
Grund der verbesserten Verbrennungsstabilität der Vorzug gegeben werden.
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4a zeigt
die Ventilhubprofile sowohl für den
Betrieb mit dem zuschaltbaren Einlaßventil 18 als auch
für den
Betrieb mit dem wahlfrei steuerbaren Einlaßventil 16. 4b gibt
die daraus resultierende eingeschlossene Frischfüllung als Funktion des Schließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 an.
Eine maximale eingeschlossene Frischfüllung kommt bei einem bestimmten
Ventilschließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 zustande.
Bei Verstel lungen nach früh
gegenüber
dem Maximum kann es zu einer ganz geringfügigen Reduzierung bei der eingeschlossenen
Frischfüllung
kommen. Dies bedeutet, daß das
wahlfrei steuerbare Einlaßventil
keinen wirklichen Einfluß auf die
eingeschlossene Frischfüllung
auf Grund der Verstellung des Schließzeitpunktes nach früh hat. In 4b hat
der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 einen
gewissen Einfluß auf
die eingeschlossene Frischfüllung,
wenn der Schließzeitpunkt über den
Schließzeitpunkt
des zuschaltbaren Ventils hinaus spät verstellt wird, d.h. bei
Zeitverstellung nach spät.
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In 2 werden
die Bereiche dargestellt, unter denen das Motorsteuergerät die Betriebsart
auswählen
muß. Neben
der Steuerung innerhalb jedes Bereiches müssen reibungslose Übergänge zwischen
den Bereichen geregelt werden. Eine Zeitlinie eines Übergangs
zwischen Bereich 32 zum Bereich 34 wird in 5a–d dargestellt.
Wenn das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 mit Verstellung
nach früh 50
arbeitet, muß es
auf Verstellung nach spät
umgeschaltet werden, was, wie in 5b dargestellt,
zu Beginn des Übergangs
eine identische eingeschlossene Frischfüllung ergibt. Die Möglichkeit,
eine Verstellung nach spät
zu finden, die die gleiche eingeschlossene Frischfüllung bewirkt
wie eine Verstellung nach früh,
wird wie oben erörtert
durch 3a belegt. Wenn das wahlfrei
steuerbare Einlaßventil 16 mit
einer Verstellung nach spät
52 arbeitet, ist kein Eingreifen erforderlich. Das zuschaltbare
Ventil kann im gleichen Motortakt oder kurz danach geöffnet werden, 5c.
Die Drosselklappe (hinsichtlich der Drosselklappenstellung in 5a mit
TP bezeichnet) ist geschlossen. Gleichzeitig wird der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
so nach spät
verstellt, 5d, daß der gewünschte Motordrehmomentverlauf
erreicht wird. Da das wahlfrei steuerbare Einlaßventil über einen bestimmten Punkt hinaus
nach spät
verstellt wird, wirkt es sich auf die Menge der eingeschlossenen
Frischfüllung
nicht mehr aus. An diesem Punkt kann das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 abgeschaltet
werden, 4b.
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Zum
Zweck der Besprechung der Steuerstrategie werden der Bereich 30 der 1 als
Bereich drei, Bereich 36 der 1 als Bereich
zwei und der die beiden Bereiche 32 und 34 der 2 enthaltende
kombinierte Bereich als Bereich eins bezeichnet. Zum Zweck der Besprechung
der Steuerstrategie in 9 werden die Bereiche 32 und 34 nach 2 als
Bereich vier bzw. fünf
bezeichnet.
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6 gibt
die Schritte an, die unternommen würden, um festzustellen, ob
ein Übergang
aus Bereich eins erforderlich wäre,
und um dann den Übergang
zu vollziehen. Das System arbeitet in Bereich eins im Block 100.
Die Blöcke 102, 104 und 106 sind Prüfschritte
dahingehend, ob ein Übergang
geboten ist. Die Reihenfolge, in der die Bewertungsblöcke 102, 104 und 106 eintreten,
ist willkürlich.
In Block 102 werden die Verluste beim Betrieb in Bereich 1 im Vergleich
zu den Verlusten beim Betrieb in Bereich 2 ausgewertet.
Diese Verluste werden oben so beschrieben, daß sie alle Verluste beinhalten,
die durch die Betätigung
des zuschaltbaren Einlaßventils 18 im Vergleich
zur Bestätigung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
entstehen. Die Aufgabe von Block 102 besteht darin, den
effizienteren Betriebsbereich zu wählen. Ist Bereich zwei effizienter,
beginnt im Block 108 ein Übergang vom Bereich eins auf
den Bereich zwei. Die Einlaßventilverstellung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 wird
in Block 110 mit derjenigen verglichen, die eine maximale
eingeschlossene Frischfüllung
ergäbe.
Wenn die Verstellung vom Zustand der maximalen eingeschlossenen
Frischfüllung nach
früh erfolgt,
wird die Einlaßventilsteuerung
auf eine Einlaß versteuerung
nach spät
geändert,
was im Block 112 eine im wesentlichen identische eingeschlossene
Frischfüllung
ergibt. Das zuschaltbare Einlaßventil 118 wird
in Block 114 aktiviert. Der Zweck einer Änderung
von der Verstellung nach früh auf
die Verstellung nach spät
in Block 112 wird in den 3 und 4, veranschaulicht. Wenn, wie in 3 dargestellt, nur das wahlfrei steuerbare
Einlaßventil 16 aktiviert
wird, fällt
die eingeschlossene Frischfüllung
beiderseits des Maximums ab. Wenn jedoch, wie in 4 dargestellt,
beide Ventile offen sind, bleibt die eingeschlossene Frischfüllung auf
der nach früh
verstellten Seite im wesentlichen konstant und fällt auf der nach spät verstellten
Seite ab. Damit die Ventileinstellung einen Einfluß auf die
Steuerung der eingeschlossenen Frischfüllung ausüben kann, sollte das wahlfrei
steuerbare Einlaßventil 16 mit
Verstellung nach spät
arbeiten. In Block 116 wird gleichzeitig mit der Verstellung
des Ventilschließzeitpunktes
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 nach
früh die Drosselklappe
geschlossen. Dies wird in der Weise durchgeführt, daß das Motordrehmoment im wesentlichen
konstant bleibt. Block 118 dient der Kontrolle, ob der
Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 ausreichend
nach früh
verstellt ist, so daß es
keinen Einfluß mehr
auf die eingeschlossene Frischfüllung
ausübt.
Im gegenteiligen Fall wird Block 116 wiederholt. Wird der
Test nach Block 118 nicht bestanden, kann das wahlfrei
steuerbare Einlaßventil
in Block 120 abgeschaltet werden, weil es sich nicht mehr
auf das Motordrehmoment auswirkt. Block 122 zeigt an, daß der Motor
im Bereich zwei arbeitet.
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In
Block 102 nach 6 werden die Kontrollen 104 und 106 durchgeführt, wenn
die Verluste im Bereich eins kleiner sind als im Bereich zwei. In
Block 104 erfolgt eine Kontrolle daraufhin, ob das wahlfrei steuerbare
Einlaßventil 16 genügend eingeschlossene
Frischfüllung
einläßt, um das
benötigte Motordrehmoment
zu erreichen. Wenn nicht, wird in Block 124 ein Übergang
vom Bereich eins auf den Bereich drei angefordert. Wenn der Test
gemäß Block 104 bestanden
wird, findet in Block 106 ein weiterer Test statt, um festzustellen,
ob die Verbrennungsrauheit annehmbar ist. Da das wahlfrei steuerbare
Einlaßventil 16 bei
den Verbrennungsgasen eine stärkere Turbulenz
hervorruft als wenn die eingelassenen Gase durch beide Ventile eingeleitet
werden, kann die daraus resultierende Verbrennung zu schnell oder
zu rauh werden. In Block 106 löst das Vorhandensein einer
rauhen Verbrennung die Anforderung eines Übergangs vom Bereich eins auf
den Bereich drei aus. Das zuschaltbare Einlaßventil 18 wird eingeschaltet,
nachdem das wahlfrei steuerbare Einlaßventil in Block 126 nach
spät verstellt
wurde. Der Schließzeitpunkt
für das
wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 wird
so gewählt,
daß während des Übergangs
gemäß Block 130 ein
im wesentlichen konstantes Motordrehmoment erreicht wird. Nun arbeitet der
Motor gemäß Block
128 im Bereich drei.
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7 zeigt
ausgehend von dem Betriebsbereich zwei, Block 200, Schritte zur
Kontrolle und Durchführung
von Übergängen. Die
Kontrollen daraufhin, ob ein Übergang
gerechtfertigt ist, entsprechen den Blöcken 202, 204 und 206 und
können
in jeder beliebigen Reihenfolge stattfinden. Block 202 prüft, ob Bereich
eins oder zwei effizienter ist. Wenn Bereich eins effizienter ist,
wird ein Übergang
von Bereich zwei auf Bereich eins angefordert, Block 208. Das
wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 wird
mit einer Schließzeitpunktverstellung
nach früh
zur Sicherung der maximalen eingeschlossenen Frischfüllung in Block 210 aktiviert.
Durch Verstellung des Schließzeitpunktes
nach früh
wirkt sich das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 minimal
auf die eingeschlossene Frischfüllung
aus. Der Schließzeitpunkt
wird in Block 212 solange nach spät verstellt, bis in Block 214 eine weitere
Verstellung nach spät
die eingeschlossene Frischfüllung
beeinflussen würde.
Wenn Block 214 ausgeführt
ist, wird der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
gleichzeitig mit dem Öffnen der
Drosselklappe nach spät
verstellt, Block 216. Dies geschieht so, daß das Motordrehmoment
im wesentlichen konstant bleibt, bis die Soll-Drosselklappenöffnung erreicht
ist. Das zuschaltbare Einlaßventil 18 kann,
wie in Block 218 dargestellt, abgeschaltet werden. Die
Blöcke 216 und 218 können in
beliebiger Reihenfolge ausgeführt
werden. Jetzt arbeitet der Motor im Bereich 1, Block 220.
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Wenn
in Block 202 nach 7 die Verluste des
Bereiches zwei geringer sind als diejenigen des Bereiches eins,
erfolgen in den Blöcken 204 und 206 Kontrollen
um festzustellen, ob bei Verwendung des zuschaltbaren Einlaßventils 18 allein
ein ausreichendes Motordrehmoment entwickelt werden kann bzw. ob
die Verbrennungsrauheit akzeptabel ist. Fällt eine dieser Prüfungen negativ
aus, wird ein Übergang vom
Bereich zwei auf den Bereich drei angefordert, Block 222.
Das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 wird
aktiviert und der Schließzeitpunkt
nach früh
verstellt. Der Ventilschließzeitpunkt
wird in Block 226 nach spät verstellt und es wird geprüft, ob sich
eine weitere Verstellung nach spät
auf die eingeschlossene Frischfüllung
auswirkt, Block 228. Wenn der Test gemäß Block 228 positiv
ausfällt,
wird das Einlaßventil
weiter nach spät
verstellt, während
die Drosselklappe so weit geöffnet
wird, daß das
Motordrehmoment gemäß Block 230 im
wesentlichen konstant gehalten wird. Die Drosselklappe wird je nachdem,
ob andere Funktionen unterstützt
werden sollen, vollständig
oder in geringerem Umfang geöffnet.
Der Motor arbeitet jetzt innerhalb von Bereich drei, Block 232.
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8a zeigt Schritte zur Kontrolle und Ausführung von Übergängen, ausgehend
von Betriebsbereich drei, Block 300. Die Blöcke 302, 304, 306, 316 und 318 umfassen
Prüfungen
daraufhin, ob ein Übergang
gerechtfertigt ist. In Block 302 wird die aktuelle Drehzahl
mit der Drehzahlt (rpmt)
verglichen, die ein festgelegter Drehzahlwert ist, der die Grenze zwischen
den Bereichen eins und zwei angibt (rpmt ist
in 2 dargestellt). Der Schritt 302 hat zum Zweck,
festzustellen, ob ein Übergang,
wenn er stattfindet, auf den Bereich eins oder Bereich zwei erfolgt. Wenn
der Wert rpm kleiner ist als rpmt, zeigen
die Prüfungen
gemäß Block 304 und 306,
ob genügend Motordrehzahl
erzeugt werden kann und ob die Verbrennungsrauheit bei Verwendung
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 akzeptabel
wäre. Wenn
entweder die Prüfung 304 oder
die Prüfung
bei 306 negativ ausfällt,
geht die Steuerung auf Block 300 zurück. Wenn beide Prüfungen 304 und 306 positiv ausfallen,
erfolgt in Block 308 ein Übergang auf Bereich eins. In
Block 312 ist das zuschaltbare Einlaßventil 18 geschlossen,
das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 wird
auf früh
verstellt, um das Motordrehmoment aufrechtzuerhalten. Wenn rpm größer ist
als rpmt, wird mit den Prüfungen 316 und 318 festgestellt,
ob genügend
Motordrehmoment erzeugt werden kann und ob die Verbrennungsrauheit
bei Verwendung des zuschaltbaren Einlaßventils 16 akzeptabel
wäre. Fällt entweder
die Kontrolle 316 oder die Kontrolle 318 negativ
aus, kehrt die Steuerung zum Block 300, Betriebsbereich
drei, zurück.
Wenn sowohl die Prüfung 316 als
auch die Prüfung 318 positiv ausfallen,
wird in Block 320 ein Übergang
auf Bereich zwei angefordert. Die Drosselklappe wird geschlossen
und der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 wird
in Block 322 auf früh
verstellt. Eine Kontrolle gemäß Block 324 zeigt,
ob sich eine weitere Verstellung des Schließzeitpunktes des wahlfrei steuerbaren
Einlaßventils 16 nach
früh auf die
eingeschlossene Füllung
auswirkt. Wenn ja, erfolgt die Rückkehr
zum Block 322. Wenn nicht, wird das wahlfrei steuerbare
Einlaßventil 16 in
Block 326 deaktiviert und das System arbeitet jetzt innerhalb des
Bereichs zwei gemäß Block 328.
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8b zeigt eine Alternative zu 8a. Die Blöcke 302, 304, 306, 316 und 318 gemäß 8a werden durch die Blöcke 350, 352 und 354 gemäß 8b ersetzt. In Block 350 werden
vier Fragen mit binären
Antworten gestellt. Frage eins lautet: "Kann mit dem zuschaltbaren Einlaßventil 18 genügend Motordrehmoment
erzeugt werden".
Frage zwei lautet: "Kann
mit dem wahlfrei steuerbaren Einlaßventil 16 genügend Motordrehmoment
erzeugt werden".
Frage drei lautet, "ob
die Verbrennungsrauheit bei dem zuschaltbaren Einlaßventil 18 akzeptabel
wäre". Frage vier lautet, "ob die Verbrennungsrauheit
bei Verwendung des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 akzeptabel
wäre". Der Block 352 zeigt
die Steuerungsrichtung aufgrund der Antworten auf die vier Fragen.
Die Steuerung geht über
Pfad A weiter, wenn die vier Antworten alle positiv ausfallen oder "Ja" lauten. Pfad A führt zum
Block 354, in welchem geprüft wird, ob die Verluste in
Bereich eins kleiner sind als die Verluste in Bereich zwei. Wenn
sich aus Block 354 ein positives Resultat ergibt, wird
ein Übergang von
Bereich drei auf Bereich eins benötigt, Block 308. Fällt das
Resultat negativ aus, wird ein Übergang vom
Bereich drei auf den Bereich zwei benötigt, Block 320. Die
Steuerung geht über
Pfad B weiter, wenn die Antworten auf die Fragen eins und drei positiv
ausfallen und entweder eine oder beide Antworten auf die Fragen
zwei und vier negativ ausfallen. Pfad B erfordert einen Übergang
von Bereich drei auf Bereich zwei, Block 320. In ähnlicher
Weise führt eine
positive Antwort auf beide Fragen zwei und vier (wobei eine oder
beide Antworten auf die Fragen eins und drei negativ sind) zur Steuerung über Pfad
C, was zu Block 312, einem Übergang
von Bereich drei auf Bereich eins führt. Jedes andere Resultat
als die besprochenen Resultate führt
zu Resultat D, welches eine Rückkehr
zu Block 300, Betriebsbereich drei, bedeutet. Die übrigen Steuerungsschritte
gemäß 8b wurden oben in Verbindung mit 8a erörtert.
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In 9 würde beim
Betrieb innerhalb des Bereichs vier, Block 400, ein Übergang
angefordert, wenn die Verbrennungsstabilität nicht akzeptabel ist, Block 402.
Um den Übergang,
Block 404, auszuführen,
wird die Drosselklappe geschlossen, während der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils
nach früh
verstellt und das Motordrehmoment, Block 406, im wesentlichen
konstant gehalten wird. Der Motor arbeitet innerhalb des Bereichs 5, Block 408.
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Beim
Betrieb innerhalb des Bereichs fünf, Block 420 gemäß 9,
erfolgt eine Prüfung
daraufhin, ob die Verbrennungsstabilität ohne Drosselung akzeptabel
wäre, Block 422.
Wenn ja, wird ein Übergang
von Bereich fünf
auf Bereich vier angefordert, Block 424. Die Drosselklappe
wird geöffnet,
während die
Einlaßventilschließzeit in
der Weise nach spät verstellt
wird, daß während des Übergangs
in Block 426 ein im wesentlichen konstantes Motordrehmoment
entwickelt wird. Der Motor arbeitet jetzt innerhalb des Bereichs
vier, Block 428.
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In 8 wird
in den Blöcken 316 und 304 geprüft, ob mit
dem zuschaltbaren Einlaßventil 18 bzw. dem
wahlfrei steuerbaren Einlaßventil 16 genügend Motordrehmoment
erzeugt werden kann. In den Blöcken 306 und 318 erfolgen
Prüfungen
hinsichtlich der Verbrennungsrauheit. Im Verlauf der Entwicklung kann
sich zeigen, daß Verbrennungsrauheit,
Drehmomentabgabe oder andere Maßnahmen
die einzigen Kriterien sind, aufgrund derer ein Übergang angefordert werden
sollte. Die in 6 bis 9 erörterten
Strategien können
dementsprechend vereinfacht werden.
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Ein
Algorithmus zur Berechnung der Drosselklappenstellung und der Einlaßventilschließung für Übergänge, bei
denen eine Drosselklappenverstellung im elektronischen Steuergerät vorgesehen werden
muß, wird
nachstehend dargestellt. Übergänge, die
eine Drosselklappenänderung
beinhalten, sind insbesondere alle Übergänge, die den Bereich 36 betreffen,
sowie Übergänge zwischen
den Bereichen 32 und 34 gemäß 2. Die eingeschlossene Soll-Frischfüllung (des_trp_chg)
hängt vom
angeforderten oder Soll-Motordrehmoment (des_tq) und von der Motordrehzahl
(rpm) ab, d.h.
des_trp_chg = fnc (des_tq, rpm).
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Bei
einem Motor mit feststehenden Ventilabläufen werden des_trp_chg und
der Soll-Krümmerdruck
(des MAP) miteinander in Beziehung gesetzt durch
des MAP =
a·des_trp_chg
+ b, worin a und b Funktionen der Drehzahl sind.
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Bei
einem Motor mit flexiblen Ventilabläufen kann die Auswirkung der
Ventilverstellung einbezogen werden als des_MAP = c·des_trp_chg/trp_chg_rf
+ d (1)worin
c und d Funktionen der Drehzahl sind und trp_chg_rf ein Reduktionsfaktor
der eingeschlossenen Frischfüllung
ist, welcher definiert wird als trp_chg_rf =
trp_chg (IVC)/trp_chg(IVCm)worin trp_chg
(IVC) die eingeschlossene Frischfüllung bei dem vorgegebenen
IVC-Wert und trp_chg(IVCm) die eingeschlossene
Frischfüllung IVCm ist, wobei es sich um den IVC-Wert han delt,
der die maximale eingeschlossene Frischfüllung ergibt. IVC bezeichnet
die Einlaßventilschließzeit. Aus 3c ist
erkennbar, daß trp_chg_rf
zwischen 0 und 1 liegt und daß
trp_chg_rf
= fnc (IVC) bei einem bestimmten MAP- und Drehzahlwert.
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Oder,
im allgemeinen Fall, trp_chg_rf = fnc (IVC, MAP, rpm), wird die
detaillierte Form der Gleichung in der Entwicklung ermittelt.
trp_chg_rf
in obiger Gleichung 1 wird aufgelöst trp_chg_rf
= (c·des_trp_chg)/(des_MAP – d) = fnc (IVC,
MAP, rpm).
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Wie
oben erwähnt,
ist die Beziehung zwischen IVC und trp_chg_rf nicht a priori bekannt.
Ist eine solche Beziehung vorhanden, kann die Gleichung jedoch für IVC aufgelöst werden.
IVC hängt
ab von IVC = fnc (, MAP, des_trp_chg, rpm).
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Die
Soll-Drosselklappenstellung (TP) wird durch Schall- und Unterschall-Beziehungen
in Relation mit MAP gesetzt. Diese Beziehungen sind dem Fachmann
bekannt und Gegenstand des US-Patents 5.526.787,
welches dem Inhaber dieser Erfindung erteilt wurde und welches durch
Bezugnahme darauf hierin übernommen
wird. Sie liegt auch im Rahmen der "Internal Combustion Engine Fundamentals" von J.B. Heywood
(McGraw Hill, 1988), welches durch Bezugnahme darauf hierin übernommen
wird. TP = fnc (MAP, rpm)
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Die
obigen Beziehungen gelten für
einen einzelnen Betriebszustand. Übergänge, die das Öffnen oder
Schließen
der Drosselklappe (zwischen Bereich 36 und einem anderen
Bereich gemäß 2)
beinhalten, finden jedoch während
eines Intervalls statt und setzen das gleichzeitige Ansteigen (ramping) von
IVC und Drosselklappenstellung voraus. Die Erfindung bedient sich
eines Anstiegs bei MAP, um Ansteigen in IVC und TP zu definieren.
Der MAP-Anstieg basiert auf der endgültigen Soll-MAP (des MAP) und der aktuellen oder
anfänglichen
MAP (MAPi). Eine Änderung der Drosselklappenstellung
kann bei einer typischen, elektronisch gesteuerten Drosselklappe
viel schneller eintreten, als der Krümmerdruck infolge der Trägheit der
Gase reagieren kann. Je nach Umfang der gewünschten Änderung und der Motordrehzahl
können
etwa ein bis zwanzig Motortakte erforderlich sein, bis der Krümmerdruck
sein Gleichgewichtsniveau erreicht. Der Wunsch nach reibungslosen Übergängen zwischen
den Bereichen gemäß 2 legt
nahe, daß der
Anstieg in MAP ausreichend langsam sein sollte, damit die Krümmerfüllungsverzögerung minimal
ist. Eine linearer Anstieg in MAP kann vorzuziehen sein, wobei die
Endpunkte durch MAPi und des MAP definiert
und der Verlauf durch Erwägungen
hinsichtlich der Krümmerfüllung bestimmt
wird. Der Anstieg in MAP ist MAP(t). Das Ansteigen sowohl in IVC
als auch TP basieren auf diesem Ansteigen in MAP mit der zusätzlichen
Vorgabe einer Lieferung von des_trp_chg. Somit können IVC(t) und TP(t) aufgrund
der Krümmerdruckanstieg und
der eingeschlossenen Soll-Frischfüllung berechnet werden: IVC(t) = fnc (MAP(t), des_trp_chg, rpm) und TP(t) = fnc (MAP(t), des trp_chg, rpm)mit
rpm (Drehzahl) wie genannt.
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In 10 werden
die Schritte zur Berechnung von IVC(t) und TP(t) dargestellt. Die
Eingaben für
Block 500 sind das benötigte
oder Soll-Drehmoment, des_tq, und die Motordrehzahl, rpm. Innerhalb des
Blocks 500 wird die eingeschlossene Soll-Frischfüllung (des_trp_chg)
berechnet. In Block 502 wird der Soll-Krümmerdruck
(des MAP), d.h. der End-MAP-Wert beim Abschluß des Übergangs, mit des_trp_chg,
rpm und dem Betriebsstatus der Einlaßventile am Ende des Übergangs
berechnet. Der Betriebsstatus der Einlaßventile für einen Übergang von Bereich 36 auf
Bereich 30 gemäß 2 gilt
sowohl für
das wahlfrei steuerbare Einlaßventil 16 als auch
das zuschaltbare Einlaßventil 18,
die aktiviert werden. Innerhalb des Blocks 504 wird der
Anstieg in MAP, des MAP(t), mit Eingaben von Anfangs-MAP, MAPi und des MAP berechnet. Wie oben besprochen,
kann ein MAP-Verlauf linear sein, Block 512, und berücksichtigt Überlegungen
zur Ansaugkrümmerfüllung. Die
gewünschten
MAP-Verlaufscharakteristiken können
auf einen Algorithmus reduziert und im Motorsteuergerät abgelegt
werden. Der Ausgang von Block 504, des MAP(t), bildet zusammen
mit des_trp_chg Eingaben für
die beiden Blöcke 506 und 508,
in denen IVC(t) bzw. TP(t) berechnet werden. Typische Kraftfahrzeugmotorsteuersysteme
umfassen eine Messung der gelieferten Frischfüllung, dargestellt als Block 510.
Die gemessene Frischfüllung wird
in den Block 510 eingegeben, in dem eingeschlossene Frischfüllung berechnet
werden kann. Die eingeschlossene Ist-Frischfüllung wird in den Block 508 eingegeben,
was eine Fehlerprüfung
und Aktualisierung der Drosselklappenstellungsgleichungen oder Nachschlagtabellen
ermöglicht.
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Unter
nochmaligem Bezug auf 1 sind moderne Kraftfahrzeuge
mit Abgas- und Spülsystemen
ausgerüstet,
um die vom flüssigen
Kraftstoff im Kraftstofftank 48 ausgehenden Kraftstoffdämpfe zu verwerten,
die auf Temperaturschwankungen und auf Kraftstoffdämpfe zurückzuführen sind,
welche während
des Auffüllens
des Kraftstofftanks verdrängt werden.
Das System enthält
einen Aktivkohlebehälter 52,
der die Kraftstoffdämpfe
absorbiert. Wenn das elektronische Motorsteuergerät 26 eine
Spülung
anfordert, wird Frischluft durch den Behälter 52 angesaugt.
Die Frischluft und die desorbierten Dämpfe werden dem Motor auf der
stromab von der Drosselklappe 14 gelegenen Seite zugeführt. Spüldämpfe werden
aufgrund des Vakuums oder des Unterdrucks im Einlaß 12 durch
den Motor gesaugt.
-
Da
herkömmliche
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung 10 unter den
meisten Betriebsbedingungen gedrosselt werden, ist die Einplanung
einer Aktivkohlebehälter-Spülung gewöhnlich kein
Hindernis. Es müssen
weitere Maßnahmen
getroffen werden, um einen Verbrennungsmotor 10 mit Hybrid-Ventiltrieb zu spülen. Innerhalb des
Bereiches 32 (2) ist die Drosselklappe 14 bei einem
Verbrennungsmotor 10 mit Hybrid-Ventiltrieb offen. Somit
besteht im Einlaß 14 kein
Unterdruck (1). Wenn das Motorsteuergerät eine Spülung anfordert,
kann die Drosselklappe 14 im Hinblick auf die Notwendigkeit
einer Spülung
des Aktivkohlebehälters 52 geschlossen
werden. Um die durch das Schließen
der Drosselklappe 14 bewirkte Drehmomentreduzierung auszugleichen,
wird der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 so
geändert,
daß ausreichend
eingeschlossene Frischfüllung
eingeleitet werden kann, um den Motordrehmomentbedarf zu decken.
Wenn das Motorsteuergerät
feststellt, daß der
Aktivkohlebehälter 52 gespült wurde,
kann die Drosselklappe 14 wieder geöffnet werden, während gleichzeitig
der Schließzeitpunkt
des wahlfrei steuerbaren Einlaßventils 16 entsprechend
dem benötigten
Motordrehmoment verändert
werden kann. Ein Übergang
auf Spülung
während
des Betriebs in Bereich 32 gemäß 2 kann auf
die gleiche Weise erfolgen wie ein Übergang von Bereich 32 auf
Bereich 34, wie weiter oben erörtert wur de. Der Unterschied
liegt darin, daß der Übergang
aufgrund einer notwendigen Spülung
des Abgassystems und nicht aufgrund der Verbrennungsstabilität angefordert
wird. Analog findet ein Übergang
von einer Spülung
in gleicher Weise statt wie bei einem Übergang von Bereich 34 auf
Bereich 32, wie er oben beschrieben wurde.
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In
dem drehmomentstarken Betriebsbereich 30 nach 2 findet
keine Drosselung statt. Es ist eventuell möglich, das Spülen des
Abgassystems so einzuplanen, daß außerhalb
des Bereiches 30 ausreichend Spülzeit vorgesehen wurde. Bei
normalem Motorbetrieb wird auf den Bereich 30 selten zugegriffen.
Sollte jedoch eine Spülung
gewünscht
werden, fände
das oben beschriebene Verfahren für die Spülung des Bereiches 32 Anwendung
auf den Bereich 30, mit dem Unterschied, daß der Bereich 30 infolge der
Notwendigkeit, ein hohes Drehmoment zu erzeugen, keine so starke
Drosselung zuläßt.
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Während die
beste Art der Ausführung
der Erfindung im einzelnen beschrieben wurde, wird der Fachmann
alternative Konstruktionen und Ausführungsformen für die praktische
Anwendung der Erfindung erkennen. Die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform
soll daher die Erfindung nur veranschaulichen, diese kann im Rahmen
der folgenden Patentansprüche
modifiziert werden.