Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei
dem zur Aufheizung eines Katalysators vorgesehen ist, dass
zwischen einem homogenen Betriebszustand mit einmaliger und
einem Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung von
Kraftstoff auf mindestens zwei Einspritzzeitpunkte in einem
Brennraum der Brennkraftmaschine umgeschaltet wird, wobei
bei aufgeteilter Einspritzung beide Einspritzzeitpunkte vor
einer Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liegen.
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Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 101 00 682.9
bekannt, in der ein Verfahren beschrieben
wird, zur Aufheizung eines Katalysators bei
Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung mit den
Schritten:
- - Verstellen der Zündung nach "spät",
- - Prüfen, ob die Füllung der Zylinder mit Luft eine
vorgegebene Schwelle überschreitet,
- - Aufteilung der Kraftstoff-Einspritzung auf zwei
Teilmengen, die vor der Zündung eingespritzt werden,
wenn die Luftfüllung die Schwelle überschreitet.
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Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor benötigen zur
Abgasreinigung Katalysatoren im Abgastrakt. Diese
Katalysatoren müssen nach einem Kaltstart möglichst schnell
auf Betriebstemperatur gebracht werden, so dass Mittel zur
Aufheizung vorgesehen werden. Beispielsweise kann der
Katalysator nach Kaltstart durch hohe Abgastemperaturen
aufgeheizt werden. Dieses sogenannte "motorische Katheizen"
hat den Vorzug, ohne zusätzliche Komponenten auszukommen.
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Bei Verbrennungsmotoren kann prinzipiell die
Abgastemperatur erhöht werden, indem der Wirkungsgrad der
Verbrennung verschlechtert wird. Eine
Wirkungsgradverschlechterung der motorischen Verbrennung
kann beispielsweise durch eine Abweichung des
Zündzeitpunktes vom optimalen Zeitpunkt herbeigeführt
werden, wobei der optimale Zeitpunkt durch den maximalen
Wirkungsgrad definiert wird. Durch die Wirkungsgradeinbuße
ist das Abgas heißer im Vergleich zum Betrieb ohne
Wirkungsgradeinbuße. Es entfaltet daher eine verstärkte
Heizwirkung im Katalysator.
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Für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung existieren
prinzipiell zwei Möglichkeiten, die Abgastemperatur zu
erhöhen, ohne zusätzliche Komponenten zu verbauen:
- 1. Späte Zündung zur Verschlechterung des Wirkungsgrades
der Verbrennung. Das gezündete Gemisch ist dabei
stöchiometrisch oder leicht mager.
- 2. Zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff nach Zündung
zur Nachverbrennung. Das gezündete Gemisch ist dabei
sehr mager (Schichtbetrieb).
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Durch die ansteigende Laufunruhe ist bei homogenem Gemisch
die Spätzündung begrenzt. Bei tiefen
Katalysatortemperaturen können die Emissionen darüber
hinaus durch leicht mageres Abgaslambda verbessert werden.
Eine Abmagerung ist bei kaltem Motor aber nur eingeschränkt
möglich.
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Wird zur Katalysatoraufheizung eine Nacheinspritzung
vorgesehen, muss das Durchbrennen der zusätzlichen
Kraftstoffmasse gewährleistet sein. Um eine sichere und
vollständige Verbrennung im Abgaskrümmer zu gewährleisten,
muss dieser in seiner Bauform optimiert werden hinsichtlich
Durchmischung und geringer thermischer Masse. Andere Ziele
wie Verringerung des Einbauraums und Leistungsoptimierung
können dadurch eingeschränkt werden. Prinzipiell wird die
Nachreaktion bei kaltem Abgaskrümmer schlechter ablaufen.
Es können daher hier die Emissionen kurz nach dem Start
kaum verringert werden.
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Da im Brennraum höhere Temperaturen herrschen, können bei
einer Nachverbrennung im Brennraum bereits kurz nach Start
geringe Emissionen erreicht werden. Soll der Kraftstoff
noch im Brennraum zünden, so müssen die Betriebsparameter
in einem engen Fenster gehalten werden. Insbesondere muss
die Einspritzung sehr früh angesetzt werden und trägt daher
deutlich zur Momententwicklung bei. Dies setzt für kleine
Lastpunkte sehr kurze Einspritzzeiten voraus, was sehr hohe
Ansprüche an die Einspritzventile impliziert.
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Durch die Aufteilung der Einspritzung vor Zündung ändert
sich die Gemischaufbereitung. Durch diesen Gemischtyp kann
daher der Motorlauf verbessert werden. Es ist grundsätzlich
bei einem schlechteren Wirkungsgrad und damit einem
späteren Zündzeitpunkt und einer höheren Abgastemperatur
eine bessere Laufruhe erzielbar und das Gemisch kann früher
nach dem Start stärker abgemagert werden als bei einem
homogenen Gemisch durch einfache Einspritzung. Dadurch
entstehen geringere Emissionen.
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Allerdings ist die Genauigkeit von Einspritzventilen bei
kleinen Mengen sehr schlecht. Es ist daher eine Aufteilung
der Einspritzung für kleinere Luftfüllungen nicht möglich.
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Um einen sicheren Start und Hochlauf des Motors, also der
Brennkraftmaschine, zu gewährleisten, kann für diese Phase
noch eine einfache homogene Einspritzung notwendig sein.
Eine Aufteilung der Einspritzung erfolgt dann erst, wenn
ausreichend Luftfüllung vorhanden ist. Hierdurch werden zu
kurze Einspritzzeiten vermieden, die zu einer ungenauen
Kraftstoff-Zumessung führen würden.
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Durch die Aufteilung der Einspritzung entsteht eine
Gemischschichtung. Dadurch kann an der Zündkerze ein eher
fettes Gemisch anliegen, wobei das Summenlambda noch mager
ist. Durch das fette Gemisch um die Kerze kann ein sicheres
Zünden auch bei magerem Summenlambda sichergestellt werden.
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Zusätzlich kann trotz später Zündung ein sicheres,
schnelles Anbrennen des Gemischs gewährleistet werden,
wodurch sich die Laufruhe bei später Zündung verbessert.
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Da sich bei geteilter, vor der Zündung erfolgter
Einspritzung eine andere Gemischverteilung einstellt, fett
in der Brennraummitte und mager an der Brennraumwand, kann
der Wandwärmeverlust verringert werden. Abhängig von
Brennraumform und den Parametern kann das folgende
Auswirkungen haben:
- a) eine höherer Abgastemperatur bei gleicher Abgasmenge
und daher mehr Heizleistung für den Katalysator,
- b) eine geringe Abgasmenge bei gleicher Temperatur, da
die Wandwärmeverluste geringer sind, wodurch die
Verweilzeiten der Schadstoffkomponenten im Krümmer und
Katalysator länger werden und eine Nachreaktion
gefördert wird. Die Emissionen nach Katalysator können
also auch hierdurch verbessert werden.
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Grundsätzlich muss mindestens einmal in der Startphase von
der einfachen homogenen Einspritzung (Start und Hochlauf)
zur aufgeteilten Einspritzung (Aufheizen des Katalysators)
und zurück umgeschaltet werden. Da das Verhältnis bei der
Einspritzmenge nicht oder nur wenig variiert werden kann,
muss hart zwischen diesen beiden Gemischtypen umgeschaltet
werden.
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Hierbei kann es dazu kommen, dass der Fahrer die
Umschaltung, die einen Momentensprung beeinhalten kann, als
Ruck im Fahrzeug wahrnimmt. Die Momtenentwicklung ist
aufgrund des unterschiedlichen Gemischtyps und der anderen
Verbrennungsgeschwindigkeit bei einfacher homogener
Einspritzung und aufgeteilter Einspritzung stark
unterschiedlich. Daher muss mit der Umschaltung der
Zündzeitpunkt sprunghaft verschoben und die Luftfüllung
schnell geändert werden. Auch wenn die Momentenentwicklung
für diese Änderung genau moduliert werden kann, entstehen
durch Toleranzen von Sensoren und Aktuatoren
Ungenauigkeiten, beispielsweise durch die ungenaue
Erfassung der Luftfüllung und des Kurbelwinkels.
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Darüber hinaus bestehen noch Ungenauigkeiten der
Kraftstoffzumessung, da einmal zwei kurze Einspritzzeiten
gegenüber einer langen Einspritzzeit gegeben sind.
Hierdurch kann es zusätzlich zu Lambda-Abweichungen kommen,
wobei dieses Problem lediglich durch genauere
Einspritzventile behoben werden kann.
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Die Erfindung stellt nun ein Verfahren bereit, bei dem eine
ruckartige Änderung der Einstellparameter und damit auch
des Drehmomentes verringert werden kann, bei gleichzeitig
verbesserter Aufheizung des Katalysators.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein zuvor
beschriebenes Verfahren, bei dem beim Umschaltvorgang vom
homogenen Betriebszustand auf den Betriebszustand mit
aufgeteilter Einspritzung der erste Einspritzzeitpunkt im
wesentlichen dem Einspritzzeitpunkt des homogenen
Betriebszustandes entspricht und der zweite
Einspritzzeitpunkt der aufgeteilten Einspritzung zunächst
so früh erfolgt, dass das hierbei entstehende Gemisch
annähernd einem homogenen Gemisch entspricht und nach der
erfolgten Umschaltung der zweite Einspritzzeitpunkt nach
spät verschoben wird, bis eine vorgegebene
Gemischaufbereitung vorliegt, und wobei bei einer
Umschaltung vom Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung zum homogenen Betriebszustand die Verschiebung
des zweiten Einspritzzeitpunktes umgekehrt, d. h. in
Richtung des ersten Einspritzzeitpunktes erfolgt.
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Auf diese Weise kann die Gemischaufbereitung derart
umgeschaltet werden, dass die Momentenentwicklung von
homogener und aufgeteilter Einspritzung noch ähnlich ist.
Dadurch können eventuelle Ungenauigkeiten nicht mehr zu
einem spürbaren Momentensprung führen. Erst nach der
Umschaltung wird die aufgeteilte Einspritzung
kontinuierlich verändert, bis die gewünschte
Gemischaufbereitung erreicht ist.
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Die Verschiebung kann dabei kontinuierlich oder
schrittweise erfolgen, wobei die einzelnen diskreten
Abschnitte jeweils so gewählt sein sollten, dass kein
Momentensprung für den Fahrer spürbar ist.
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Das Optimale ist hierbei die kontinuierliche Verschiebung.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm, ein
Steuer- und Regelgerät sowie eine Brennkraftmaschine
gelöst, gemäß den Ansprüchen.
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Dadurch, dass der zweite Einspritzzeitpunkt unmittelbar
nach dem Umschalten dicht beim ersten Einspritzzeitpunkt
liegt, entspricht das Gemisch kurz nach dem Umschalten auf
einen Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung
annäherungsweise einem homogenen Gemisch mit einzelner
Einspritzung. Da die Umschaltung zwischen einfacher
homogener und aufgeteilter Einspritzung immer mit einer
zweiten Einspritzung erfolgt, die sehr früh liegt, also
nahe bei der ersten Einspritzung, müssen Zündzeitpunkt und
Luftfüllung unmittelbar nach der Umschaltung nur minimal
angepasst werden. Nach der Umschaltung zur aufgeteilten
Einspritzung wird dann der zweite Einspritzzeitpunkt nach
spät verschoben, zum eigentlichen Sollwert. Hierbei erfolgt
eine Anpassung der Luftfüllmenge und im umgekehrten Fall
erfolgt vor dem Zurückschalten wiederum eine Anpassung der
Luftfüllmenge. So wird in der Regel die Luftfüllmenge bei
der Umschaltung auf einen Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung angehoben werden. Außerdem kann dabei eine
Anpassung des Zündzeitpunktes notwendig werden.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem
vor dem Umschalten geprüft wird, ob die Luftfüllmenge in
der Brennkammer einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Dies ist insofern notwendig, da die Genauigkeit der
Kraftstoffzumessung erst ab gewissen Einspritzmengen sicher
gegeben ist. Bei der Aufteilung der Einspritzung wird die
Genauigkeit der Kraftstoffzumessung verändert, da nun zwei
kurze Einspritzzeiten gegenüber einer langen Einspritzzeit
vorliegen. Insofern ist es notwendig, dass zumindest
mittlere Luftfüllungen vorliegen, wobei hierbei beide
Kraftstoffmengen ungefähr gleich groß sein müssen. Erst
wenn große Luftfüllungen erreicht werden, kann die erste
Einspritzmenge gegenüber der zweiten Einspritzmenge bei der
aufgeteilten Einspritzung variiert werden.
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Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die Verschiebung
des zweiten Einspritzzeitpunktes kontinuierlich oder in
mehreren separaten diskreten Schritten erfolgt.
Insbesondere eine kontinuierliche Verstellung mit einer
kontinuierlichen Verstellung des Zündzeitpunktes sowie der
Luftfüllmenge ist besonders bevorzugt.
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Es kann des weiteren vorgesehen sein, dass nach der
Umschaltung vom homogenen Betriebszustand in den
Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung und/oder vor
dem Zurückschalten bei der Verschiebung des zweiten
Einspritzzeitpunktes der Zündzeitpunkt verschoben wird, um
den Wirkungsgrad zu verändern.
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Insbesondere ist bei einer aufgeteilten Einspritzung ein
späterer Zündzeitpunkt möglich, wodurch ein schlechterer
Wirkungsgrad erzielbar ist, der auf der anderen Seite zu
einer besseren Aufheizung des Katalysators führt. Trotz des
schlechteren Wirkungsgrades aufgrund des späteren
Zündzeitpunkts ist die Laufruhe bei einem Betrieb mit
aufgeteilter Einspritzung jedoch verbessert.
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Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das
zur Durchführung des Verfahrens, wie es vorstehend
beschrieben ist, geeignet ist, wenn es auf einem Computer
ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann dabei
insbesondere auf einem Speicher, insbesondere einem Flash-
Memory, abgespeichert sein.
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Des weiteren umfasst die Erfindung ein Steuer- und/oder
Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, das
einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm, wie
es vorstehend beschrieben ist, abgespeichert ist. Ein
derartiges Steuer- und Regelgerät dient zur Steuerung
sämtlicher Vorgänge im Motor, wie beispielsweise Zumessung
der jeweiligen Einspritzmengen, Einstellung der
Zündzeitpunkte, Zumessung der entsprechenden Luftmengen
etc.
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Schließlich umfasst die Erfindung noch eine
Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, mit einer
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, über welche der Kraftstoff
in den Brennraum gelangt, wobei die Brennkraftmaschine ein
Steuer- und/oder Regelgerät umfasst, sowie einen
Katalysator, wobei insbesondere zum Aufheizen des
Katalysators vorgesehen ist, dass eine Umschaltung zwischen
einem homogenen Betriebszustand mit einmaliger und einem
Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung von
Kraftstoff auf mindestens zwei Einspritzzeitpunkte in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei
bei aufgeteilter Einspritzung beide Einspritzzeitpunkte vor
einer Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liegen, wobei
unmittelbar nach dem Umschaltvorgang vom homogenen
Betriebszustand auf den Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung der erste Einspritzzeitpunkt im wesentlichen
dem ersten Einspritzzeitpunkt des homogenen
Betriebszustandes entspricht und der zweite
Einspritzzeitpunkt der aufgeteilten Einspritzung zunächst
so nahe beim ersten Einspritzzeitpunkt liegt, dass das
hierbei entstehende Gemisch annähernd einem homogenen
Gemisch entspricht und der zweite Einspritzzeitpunkt dann
nach spät vom ersten Einspritzzeitpunkt weg verschiebbar
ist, bis eine vorgegebene Gemischaufbereitung vorliegt und
wobei bei einer Umschaltung vom Betriebszustand mit
aufgeteilter Einspritzung zum homogenen Betriebszustand der
zweite Einspritzzeitpunkt umgekehrt verschiebbar ist.
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Insgesamt werden durch die Aufteilung der Einspritzung
folgende Vorteile erreicht, da hier ein anderer Gemischtyp
vorliegt:
- - Es wird der Motorlauf verbessert,
- - es ist bei besserer Laufruhe ein schlechterer
Wirkungsgrad (späterer Zündzeitpunkt) möglich und
- - das Gemisch kann stärker abgemagert werden.
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Gleichzeitig können durch die beschriebene
Umschaltstrategie ruckartige Änderungen der
Einstellparameter vermieden werden. Die Gemischaufbereitung
wird derart umgeschaltet, dass die Momentenentwicklungen
von homogener und aufgeteilter Einspritzung derart ähnlich
sind, dass Ungenauigkeiten beispielsweise durch Toleranzen
von Sensoren und Aktuatoren nicht mehr zu einem spürbaren
Momentensprung führen. Darüber hinaus wird auch kein
Momentenverlust bei der Umschaltung spürbar, den der Fahrer
in Form eines "Rucks" wahrnimmt.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Figur
der Zeichnung dargestellt ist. Dabei bilden alle
beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in
beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den
Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung
bzw. in der Zeichnung. Dabei zeigt:
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Fig. 1 eine Brennkraftmaschine,
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Fig. 2 Parameterverläufe bei Umschaltung mit
Verschiebung des zweiten Einspritzzeitpunktes und
bei spontaner Umschaltung.
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Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 eines
Kraftfahrzeugs, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3
hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem
Brennraum 4 versehen, der u. a. durch den Kolben 2, ein
Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit
dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem
Auslassventil 6 ein Abgasrohr 8 gekoppelt. Im Bereich des
Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein
Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum.
Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum
4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann der
Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden.
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In dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11
untergebracht, über die dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar
ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der
Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist
ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der
durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase
dient.
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Von dem Abgasrohr 8 führt ein Abgasrückführrohr 13 zurück
zu dem Ansaugrohr 7. In dem Abgasrückführrohr 13 ist ein
Abgasrückführventil 14 untergebracht, mit dem die Menge des
in das Ansaugrohr 7 rückgeführten Abgases eingestellt
werden kann.
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Von einem Kraftstofftank 15 führt eine
Tankentlüftungsleitung 16 zu dem Ansaugrohr 7. In der
Tankentlüftungsleitung 16 ist ein Tankfüllungsventil 17
untergebracht, mit dem die Menge des dem Ansaugrohr 7
zugeführten Kraftstoffdampfes aus dem Kraftstofftank 15
einstellbar ist.
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Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoffes in
dem Brennraum 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die
auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und
auf diese ein Drehmoment ausübt.
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Ein Steuergerät 18 zur Steuerung und/oder Regelung ist von
Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die mittels Sensoren
gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1
darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit einem
Luftmassensensor, einem Lambda-Sensor, einem Drehzahlsensor
und dergleichen verbunden. Des weiteren ist das Steuergerät
18 mit einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal
erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer
betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte
Drehmoment angibt.
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Das Steuergerät 18 erzeugt Ausgangssignale 20, mit denen
über Aktuatoren bzw. Steller das Verhalten der
Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann.
Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit dem
Einspritzventil 9, der Zündkerze 10 oder der Drosselklappe
11 und dergleichen verbunden und erzeugt die zu deren
Ansteuerung erforderlichen Signale.
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U. a. ist das Steuergerät 18 dazu vorgesehen, die
Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder
zu regeln. Insbesondere wird die von dem Einspritzventil 9
in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem
Steuergerät 18 insbesondere im Hinblick auf einen geringen
Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe
Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu
diesem Zweck ist das Steuergerät 18 mit einem
Mikroprozessor (Computer) versehen, der in einem
Speichermedium, insbesondere einem Flash-Memory, ein
Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die
genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
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Insbesondere bestimmt das Steuergerät 18 den
Drosselklappenwinkel und die Einspritzimpulsbreite, die
wesentliche, aufeinander abzustimmende Stellgröße zur
Realisierung des gewünschten Drehmomentes, der
Abgaszusammensetzung und der Abgastemperatur darstellen.
Eine weitere wesentliche Stellgröße zur Beeinflussung
dieser Größen ist die Winkellage der Zündung relativ zur
Kolbenbewegung.
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In diesem Zuge kann die Katalysatortemperatur bestimmt
werden, wobei hier zum einen sowohl Messungen als auch eine
Modulierung aus den Betriebsgrößen in Frage kommen.
Insbesondere beim Start des Motors besteht jedoch das
Problem, dass der Katalysator 12 noch nicht die
ausreichende Betriebstemperatur besitzt. Es ist daher
notwendig, dass der Katalysator 12 nach einem Kaltstart
möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird.
Diese Aufheizung kann mit dem sogenannten motorischen
Katheizen durch eine hohe Abgastemperatur erfolgen.
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Der Start eines Motors erfolgt in der Regel in einer ersten
Betriebsart, dem sogenannten "Homogenbetrieb" der
Brennkraftmaschine 1. Hierbei wird die Drosselklappe 11 in
Abhängigkeit von dem gewünschten Drehmoment teilweise
geöffnet bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem
Einspritzventil 9 während einer durch den Kolben 2
hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4
eingespritzt. Durch die gleichzeitig über die Drosselklappe
11 angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff
verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen
gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff/Luft-
Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann
von der Zündkerze 10 entzündet zu werden. Durch die
Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2
angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im homogenen
Betrieb im wesentlichen von der Stellung der Drosselklappe
11 ab. Diese ist in der Startphase im wesentlichen
geschlossen. Im Hinblick auf eine geringe
Schadstoffentwicklung wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch
möglichst bei Lambda = 1 oder Lambda > 1 - leicht mager -
eingestellt.
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Zur Erhöhung der Abgastemperatur kann dabei vorgesehen
sein, den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verschlechtern,
indem die Zündung zu einem späteren Kurbelwinkel
stattfindet. Das gezündete Gemisch ist dabei
stöchiometrisch oder leicht mager eingestellt. Allerdings
besteht bei einer homogenen Betriebsart hierbei der
Nachteil, dass die Laufruhe des Motors nicht
zufriedenstellend ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt dennoch der Start der
Brennkraftmaschine 1 in der homogenen Betriebsart, da für
eine geteilte Einspritzung die Luftmenge beim Startverlauf
nicht immer ausreicht.
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Sobald aus der Stellung der Drosselklappe 11 oder anderen
Sensorsignalen auf eine ausreichend große, zumindest
mittlere Luftfüllung geschlossen werden kann, wird zur
Aufheizung des Katalysators 12 eine Umschaltung in einen
Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung durchgeführt.
Hierbei wird zunächst eine erste Einspritzmenge in den
Brennraum eingespritzt und zu einem späteren Kurbelwinkel
eine zweite Einspritzmenge, wobei beide Einspritzzeitpunkte
vor dem Zündzeitpunkt der Zündkerze 10 liegen. Durch die
Aufteilung der Einspritzung entsteht eine
Gemischschichtung, wobei an der Zündkerze 10 ein eher
fettes Gemisch anliegt, obwohl das Summenlambda in der
gesamten Brennkammer 4 noch mager ist. Durch das fette
Gemisch um die Kerze kann ein sicheres Zünden auch bei sehr
magerem Summenlambda sichergestellt werden. Zusätzlich kann
- trotz später Zündung - ein sicheres, schnelles Anbrennen
des Gemisches gewährleistet werden. Dadurch erhöht sich die
Laufruhe auch bei später Zündung und damit schlechterem
Wirkungsgrad. Es können auf diese Weise Wandwärmeverluste
verringert werden und es sind höhere Abgastemperaturen bei
gleicher Abgasmenge erzielbar. Damit wird die Aufheizung
des Katalysators schneller erreicht.
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Bei der Umstellung stellen sich nun folgende Probleme: So
kann zunächst die Umschaltung nur erfolgen, wenn eine
Mindest-Luftfüllung vorliegt, da ansonsten die
einzuspritzende Kraftstoffmenge je Einspritzung zu gering
ist, um zu gewährleisten, dass die Regelung der
Kraftstoffzufuhr eine ausreichende Genauigkeit besitzt.
Darüber hinaus ist die Momentenentwicklung aufgrund des
unterschiedlichen Gemischtyps und der anderen
Verbrennungsgeschwindigkeit bei einfacher homogener
Einspritzung und aufgeteilter Einspritzung stark
unterschiedlich. Daher muss mit der Umschaltung der
Zündzeitpunkt sprunghaft verschoben und die Luftfüllung
schnell verändert werden. Auch wenn die Momentenentwicklung
für diese Änderungen genau modelliert werden kann,
entstehen durch Toleranzen von Sensoren und Aktuatoren
Ungenauigkeiten. Es kann daher zu einem Momentensprung
kommen, den der Fahrer wahrnimmt. Darüber hinaus können
Lambda-Abweichungen auftreten, da die Genauigkeit der
Kraftstoffzumessung für beide Einspritzarten
unterschiedlich ist.
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Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die
Gemischaufbereitung derart umgestaltet wird, dass die
Momentenentwicklung von homogener und aufgeteilter
Einspritzung zum Zeitpunkt der Umschaltung noch ähnlich
ist. Dabei kann es durch eventuelle Ungenauigkeiten nicht
mehr zu einem spürbaren Momentensprung kommen. Nach der
Umschaltung wird dann die aufgeteilte Einspritzung
kontinuierlich verändert, d. h. die beiden
Einspritzzeitpunkte werden auseinandergezogen, wobei der
zweite Einspritzzeitpunkt nach spät verschoben wird, bis
die gewünschte Gemischaufbereitung erreicht ist.
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Unmittelbar nach der Umschaltung liegt der zweite
Einspritzzeitpunkt so früh, dass er annähernd beim ersten
Einspritzzeitpunkt liegt und daher das Gemisch
annäherungsweise einem homogenen Gemisch mit einzelner
Einspritzung entspricht. Es müssen dann Zündzeitpunkt und
Luftfüllung nur noch minimal angepasst werden. Nach der
Umschaltung kann dann der zweite Einspritzzeitpunkt
kontinuierlich zum eigentlichen Sollwert, d. h. in Richtung
des Zündzeitpunktes verschoben werden. Zündzeitpunkt und
Luftfüllung werden dabei an die geänderte
Gemischaufbereitung und Momentenentwicklung angepasst.
Insbesondere wird die Luftfüllung erhöht, um einem
Momentenverlust entgegenzuwirken. Der Zündzeitpunkt kann
bei gleichbleibender Laufruhe weiter nach hinten verschoben
werden, da eine geteilte Einspritzung eine höhere Laufruhe
bei schlechterem Wirkungsgrad erlaubt, als eine homogene
Einspritzung.
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Insgesamt haben die Gemischtypen bei der Umschaltung
ähnliche Eigenschaften. Ungenauigkeiten von Sensoren und
Aktuatoren wirken sich daher nicht unterschiedlich aus.
Insbesondere wenn die Verschiebung des zweiten
Einspritzzeitpunktes der zweiten Kraftstoffmenge langsam
und kontinuierlich erfolgt, sind hier Ungenauigkeiten nicht
mehr spürbar und sie führen nicht zu einer Einbuße im
Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs.
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Wird die Luftfüllung erhöht, nachdem oder während die
zweite Kraftstoffeinspritzung nach spät verschoben wird, so
wird der Zündzeitpunkt entsprechend der höheren Füllung und
der geänderten Gemischaufbereitung angepasst. Insgesamt
können Stufen und Sprünge, die sich im maximalen Moment bei
optimaler Zündung ergeben, hierdurch derartig angenähert
werden, dass die einzelnen Betriebszustände annähernd
kontinuierlich ineinander übergehen.
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Anhand Fig. 2 soll verdeutlicht werden, wie sich die
einzelnen Parameter verändern, wenn der Umschaltvorgang
abrupt oder durch kontinuierliche Verschiebung der zweiten
Kraftstoffeinspritzung bezüglich des Zeitpunktes verändert
wird.
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Fig. 2 zeigt jeweils auf der linken Seite Darstellungen
für das maximale Moment bei optimaler Zündung, den
Einspritzzeitpunkt bezüglich des Abstandes vor dem oberen
Totpunkt, den Zündzeitpunkt bezüglich des Abstandes zum
oberen Totpunkt und die Luftfüllung für eine unmittelbare
Umschaltung auf den gewünschten Sollwert bei der
aufgeteilten Einspritzung. Die rechten Darstellungen zeigen
dagegen ein erfindungsgemäßes "Auframpen", wobei der
Einspritzzeitpunkt der zweiten Kraftstoffmenge zunächst
nahe beim ersten Einspritzzeitpunkt liegt, und somit die
Gemischcharakteristik annähernd derjenigen der homogenen
Einspritzung entspricht.
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So kann insbesondere gut gesehen werden, dass in der
untersten Darstellung, die das maximale Moment bei
optimaler Zündung zeigt, bei einer einzelnen Einspritzung
über die Zeit, zunächst ein konstantes Moment vorliegt,
wobei dieses ansteigt, da auch bei optimaler Zündung bei
der aufgeteilten Einspritzung ein geringeres Moment
erbracht wird als bei einfacher homogener Einspritzung und
so vor der Umschaltung bereits mehr Luftfüllung aufgebaut
werden muss. Daher steigt das optimale Moment für die
homogene Einspritzung dann mit der Luftfüllung an. Diese
Moment fällt dann schlagartig zum Zeitpunkt der
Umschaltung, die jeweils durch die mittlere gestrichelte
senkrechte Linie dargestellt ist, ab. Dieser
Leistungsverlust ist vom Fahrer als Ruck spürbar, sofern er
nicht durch die Korrektur des Zündzeitpunkts hinreichend
kompensiert wird. Durch Erhöhung der Luftmenge sowie
Einstellung eines wiederum optimalen Zündzeitpunktes kann
dieses Moment dann langsam wieder gesteigert werden.
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Bei einer Umschaltung, wobei die zweite
Kraftstoffeinspritzung zunächst auch früh, also weit vor
dem oberen Totpunkt, erfolgt, verhält sich das Gemisch
zunächst auch nach der Umschaltung wie ein homogenes
Gemisch. Durch die Verschiebung des Zündzeitpunktes und des
zweiten Einspritzzeitpunktes steigt das optimale Moment
dann wiederum auf den Endwert an. Ein Sprung ist über die
Umschaltung annähernd nicht festzustellen.
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Die zweite Darstellung von unten zeigt den Abstand vom
unteren Totpunkt bezüglich des zweiten
Einspritzzeitpunktes. Ist auf der linken Seite dargestellt,
dass dieser einen relativ kurzen Abstand vom oberen
Totpunkt bereits zum Zeitpunkt der Umstellung besitzt, kann
der rechten Darstellung entnommen werden, dass dieser
zunächst einen erheblichen Abstand vom oberen Totpunkt
aufweist nach der Umschaltung, und dann erst im Laufe der
Umstellung an den Sollwert, der nahe am oberen Totpunkt
liegt, herangefahren wird.
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Ebenfalls zu sehen ist, dass zunächst der Zündzeitpunkt bei
einer homogenen Einspritzung einen relativ großen Abstand
zum oberen Totpunkt aufweist, d. h. eine frühe Zündung
findet statt, da nur dann eine gute Laufruhe bei einer
homogenen Einspritzung gewährleistet ist. Zur Umschaltung
hin wird dieser Zeitpunkt nach hinten verschoben, um bei
der erhöhten Luftfüllung, die sich aus der obersten
Darstellung ergibt, einem weiteren Anstieg des Momentes bei
einer homogenen Betriebsart entgegenzuwirken. Durch das
nach hinten Verschieben des Zündzeitpunktes wird allerdings
die Laufruhe verschlechtert.
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Nach der Umschaltung muss der Zündzeitpunkt dann sprunghaft
wieder nach früh verschoben werden, um bei gleichbleibender
Luftfüllung zunächst einem Momentenabfall entgegenzuwirken
und somit eine optimale Zündung zu erzielen. Im späteren
Zeitpunkt kann der Zündzeitpunkt dann wieder nach hinten
verschoben werden, wobei eine Verschiebung insgesamt
deutlich weiter nach hinten erfolgen kann, also zu einem
späteren Zeitpunkt gezündet werden kann als bei einer
homogenen Betriebsart, da hier auch bei schlechterem
Wirkungsgrad die Laufruhe nicht beeinträchtigt ist.
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Betrachtet man nun die rechte Darstellung, so sieht man,
dass auch hier die Zündzeitpunkte nur einen kleinen Sprung
vollführen, da auch hier die Gemischcharakteristiken zum
Zeitpunkt der Umschaltung ähnlich sind.
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Die Luftfüllung verhält sich sowohl für die sprunghafte
Umstellung als auch für die kontinuierliche Umstellung
annähernd gleich, da diese erhöht werden muss bei einer
Betriebsart mit aufgeteilter Einspritzung, um ein optimales
Moment erreichen zu können.