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Es
ist allgemein üblich,
Kraftfahrzeugmotoren mit Vorrichtungen zur Begrenzung der Abgasemissionen
zu betreiben. Um eine effiziente Umwandlung der Abgasemissionen
sicherzustellen, werden bei Abgasbegrenzungseinrichtungen – wie z.B.
Katalysatoren – spezifische
Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnisse
benötigt. Hierzu
wird die Kraftstoffeinspritzung üblicherweise
dahingehend gesteuert, dass ein gewünschtes Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis erzielt
wird und hierdurch eine verbesserte Emissionsreduzierung erreicht
wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde jedoch in diesem Zusammenhang
ein Nachteil bei Systemen erkannt, bei denen ein Übergang
der Ventilzeiteinstellung zwischen einem frühen Schließen der Einlassventile (early
intake valve closing, EIVC) und einem späten Schließen der Einlassventile (d.h.
mit einem Schließen
der Ventile nach dem unteren Totpunkt [bottom dead center, BDC],
d.h. erst beim Kompressionshub) vorgesehen ist. Insbesondere kann
der Übergang
zwischen einem frühen Öffnen der
Einlassventile (EIVC) und einem späten Schließen der Einlassventile (LIVC)
steuerungstechnisch schwierig zu bewältigen sein.
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Wenn
beispielsweise bei einer späten
Ventilzeiteinstellung die Luft/Kraftstoffladung anfänglich aus dem
Zylinder in den Einlasskanal zurück
gedrückt
wird (bedingt durch die Kompression aufgrund der Kolbenbewegung),
wird dadurch das Luft/Kraftstoffgemisch, welches den nachfolgenden
Zylindern zugeführt
wird, ge stört.
Dies ist dadurch bedingt, dass das Luft/Kraftstoffgemisch in den
Einlasskanal zurück
gedrückt
wird. Dadurch können
Abweichungen in dem Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis auftreten,
wodurch negative Folgen für
die Leistungsfähigkeit
eines Katalysators und damit für
die Abgasendrohremissionen auftreten können. Mit anderen Worten wird
durch das zurück
in den Einlasskanal gedrückte
Luft/Kraftstoffgemisch das Luft/Kraftstoffverhältnis des bei nachfolgenden
Zylinderereignissen angesaugten Gemischs verändert.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin,
die vorstehend beschriebenen Probleme beim Übergang zwischen verschiedenen
Ventilzeiteinstellungen durch eine elektronisch gesteuerte Anordnung
zu vermeiden. Die Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung
umfasst: ein Computerspeichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm
zur Steuerung des einem Motor mit interner Verbrennung (nachfolgend
als Verbrennungsmotor bezeichnet) mit einem Einlasskanal zugeführten Kraftstoffes,
wobei das Computerspeichermedium folgenden Code aufweist: Code zur
Bestimmung einer Medienmenge, welche durch ein vorhergehendes Zylinderereignis
in den Einlasskanal ausgeschoben bzw. ausgestoßen wurde, sowie Code zur Anpassung
des bei einem späteren
Zylinderereignis eingespritzten Kraftstoffes basierend auf der Medienmenge.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
einen Übergang
zwischen einer frühen
und einer späten
Ventilzeitsteuerung vorzunehmen, wobei durch den Übergang
bedingte Fehler in den Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnissen vermieden werden.
Mit andern Worten wird durch die Bestimmung der Medienmenge, welche
in den Einlasskanal ausgestoßen
wird, die Versorgung der nachfolgenden Zylinder mit einer genaueren
Einspritzkraftstoffmenge möglich,
wodurch das Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis insgesamt genauer aufrechterhalten
werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außerdem bestimmt,
wann zwischen einem frühen
und einem späten
Schließen
der Einlassventile übergegangen
werden soll, um eine angeforderte Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors
oder einen bestimmten Luftstrom durch den Verbrennungsmotor bereitstellen
zu können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines
Fahrzeugs, in dem verschiedene Komponenten, die mit der vorliegenden
Erfindung in Verbindung stehen, illustriert sind;
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2a eine schematische vertikale
Schnittdarstellung einer Anordnung zur Steuerung der Ventilbetätigung,
bei der das entsprechende Ventil in einer vollständig geschlossenen Stellung
dargestellt ist;
-
2b eine schematische vertikale
Schnittdarstellung einer Anordnung zur Steuerung der Ventilbetätigung wie
in 2a dargestellt, bei
der sich das entsprechende Ventil in einer vollständig geöffneten
Stellung befindet;
-
3 eine Graphendarstellung
zur Erläuterung
eines beispielhaften Auswahlkriteriums für die Ventilschließzeiteinstellung;
-
4 ein Diagramm mit gemessenen
Luft/Kraftstoffverhältnisspitzen,
die durch Übergänge zwischen einem
EIVC-Modus und einem LIVC-Modus
bei 2500 Umdrehungen pro Minute verursacht wurden;
-
5-6 und 10 Flussdiagramme
auf einem hohen Abstraktionsniveau in Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung;
-
7–9 experimentelle
Resultate, die von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung bei einem Betrieb durch verschiedene erfindungsgemäße Eigenschaften
erzielt wurden;
-
11A einen Verbrennungsmotor
mit variabler Nockenwellenzeiteinstellung (VCT);
-
11B ein Flussdiagramm einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
12A–12B die
Veränderung
des Motorvolumens als Funktion des Kurbelwellenwinkels mit Regressions-Näherungen,
und
-
13–14 experimentelle
Testdaten.
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In 1 ist ein Motor mit interner
Verbrennung 10 (nachfolgend als Verbrennungsmotor oder
Motor bezeichnet) schematisch dargestellt. Bei dem Verbrennungsmotor 10 handelt
es sich um den Motor eines Pkws oder eines Lastkraftwagens, der
von Fahrern auf Straßen
gefahren wird. Der Verbrennungsmotor 10 ist über eine
Kurbelwelle 13 mit einem Drehmomentwandler verbunden. Der
Drehmomentwandler ist weiterhin über
eine Turbinen- bzw. Sekundärwelle
mit einem Getriebe verbunden. Der Drehmomentwandler weist weiterhin
eine Bypass-Kupplung
auf, die eingekoppelt, ausgekoppelt oder teilweise eingekoppelt
sein kann. Wenn die Kupplung entweder ausgekoppelt oder teilweise
eingekoppelt ist, spricht man davon, dass sich der Drehmomentwandler
in einem nicht freigegebenen Zustand befindet. Die Turbinenwelle
wird auch als Getriebeeingangswelle bezeichnet. Das Getriebe ist
als elektronisch gesteuertes Getriebe mit einer Mehrzahl wählbarer diskreter Übersetzungsverhältnisse
ausgebildet. Das Getriebe weist weiterhin eine Vielzahl anderer
Gänge auf – wie beispielsweise
ein Achsenantriebs-Untersetzungsverhältnis. Das Getriebe ist über Achsen
mit Reifen verbunden, die den Kontakt des Fahrzeugs mit der Straße herstellen.
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Der
Verbrennungsmotor 10 wird durch eine elektronische Motorsteuerung 12 gesteuert
und weist eine Mehrzahl von Zylindern auf, von denen einer in 1 dargestellt ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist
eine Verbrennungskammer 30 und Zylinderwände 32 mit
einem darin befindlichen Kolben 36 auf, der mit einer Kurbelwelle 13 verbunden
ist. Die Brennkammer 30 steht jeweils über ein Einlassventil 52 bzw.
ein Auslassventil 54 mit einem Einlasskanal 44 (auch
als Einlasskrümmer
bezeichnet) bzw. einem Auslasskanal 48 (auch als Abgaskrümmer bezeichnet)
in Verbindung. Oberhalb eines Katalysators 20 ist im Auslasskanal 48 des
Verbrennungsmotors 10 ein Abgassauerstoffsensor 16 angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel
kann es sich bei dem Katalysator 20 um einen Dreiwegekatalysator
zur Emissionsumwandlung während
eines Betriebs des Verbrennungsmotors im Bereich der Stöchiometrie
handeln.
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Wie
nachfolgend anhand der 2a und 2b näher beschrieben werden wird,
werden wenigstens ein Ventil und evtl. auch beide Ventile 52 und 54 über eine
Steuereinrichtung 210 elektronisch gesteuert.
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Der
Einlasskanal 44 kommuniziert mit einem Drosselklappenkörper 64 über eine
Drosselklappenplatte 66. Die Drosselklappenplatte 66 wird
durch einen Elektromotor 67 gesteuert, der ein Signal von
einem Treiber 69 für
die elektronische Drosselklappe erhält (ETC driver). Der Treiber 69 erhält wiederum
ein Steuersignal (DC) von der Motorsteuerung 12. In einer
alternativen Ausführungsform
der Motoranordnung kann auch keine Drosselklappe vorgesehen sein;
der Luftstrom würde
in diesem Falle lediglich durch die Verwendung der Ventile 52 und 54 gesteuert.
Wenn eine Drosselklappe 66 vorgesehen ist, kann diese auch
dazu verwendet werden, den Luftstrom für den Fall zu reduzieren, dass
die Ventile 52 oder 54 beschädigt sind.
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Der
Einlasskanal 44 weist gemäß der Darstellung weiterhin
einen Kraftstoffeinspritzer 68 zur Zufuhr von Kraftstoff
entsprechend der Pulsweite bzw. dem Tastverhältnis eines Signals (fpw) von
der Motorsteuerung 12 auf. Der Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzer 68 über eine
konventionelle Kraftstoffanlage (nicht dar gestellt) mit einem Kraftstofftank,
einer Kraftstoffpumpe und einer Kraftstoffleitung (ebenfalls nicht
dargestellt) zugeführt.
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Der
Verbrennungsmotor 10 weist weiterhin eine konventionelle
verteilerlose Zündanlage 88 auf,
mit der der Brennkammer 30 – gesteuert durch die Motorsteuerung 12 – ein Zündfunken über eine
Zündkerze 92 zugeführt wird.
In der hier beschriebenen Ausführungsform
ist die Motorsteuerung 12 als konventioneller Mikrocomputer
ausgebildet, mit einer Mikroprozessoreinheit 102, Ein/Ausgabeports 104,
einem elektronischen Speicherchip 106, welcher in diesem
speziellen Ausführungsbeispiel
als elektronisch programmierbarer Speicher ausgebildet ist, einem
RAM-Speicher 108 sowie einem konventionellen Datenbus.
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Die
Motorsteuerung erhält
eine Vielzahl von Signalen von Sensoren, die mit dem Verbrennungsmotor 10 gekoppelt
sind, darunter – zusätzlich zu
den bereits erörterten
Signalen – ein
Signal für
den Ansaug-Luftmassenstrom (MAF) von einem Luftmassenstromssensor 10,
der an dem Drosselklappenkörper 64 angeordnet
ist; ein Signal für
die Motorkühlwassertemperatur
(ECT) von einem Temperatursensor 112, der mit einem Kühlmantel 114 verbunden
ist; ein Messsignal der Drosselklappenstellung (TP) von einem Drosselklappenstellungssensor 117,
der mit der Drosselklappenplatte 66 verbunden ist; ein
Messsignal des Drehmoments an der Getriebewelle oder der Motorwelle
von einem Drehmomentsensor 121; ein Messsignal der Turbinen-
bzw. Drehmomentwandlerdrehzahl (Wt) von einem Turbinendrehzahlsensor 119,
wobei die Turbinendrehzahl der Drehzahl der Welle 17 entspricht,
oder ein Zündprofilaufnahmesignal
(profile ignition pickup signal, PIP) von einem Halleffektsensor 118,
der mit der Kurbelwelle 13 verbunden ist und die Motordrehzahl
(N) anzeigt. Alternativ kann die Turbinendrehzahl auch aus der Fahrzeuggeschwindigkeit
und dem Übersetzungsverhältnis bestimmt
werden.
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Weiter
Bezug nehmend auf 1 wird
ein Gaspedal 130 durch den Fuß 132 eines Fahrers
betätigt. Die
Gaspedalposition (PP) wird durch einen Pedalstellungssensor 134 gemessen
und der Motorsteuerung 12 übermittelt.
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In
einer alternativen Ausführungsform,
bei der keine elektronisch gesteuerte Drosselklappe eingesetzt wird,
kann ein Luftbypassventil (nicht dargestellt) vorgesehen sein, durch
welches eine gesteuerte Luftmenge an der Drosselklappenplatte 66 vorbeiströmen kann.
Bei dieser alternativen Ausführungsform
erhält
das nicht dargestellte Luftbypassventil ein Steuersignal (ebenfalls
nicht dargestellt) von der Motorsteuerung 12.
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In
den 2a und 2b ist eine Einrichtung 210 zur
Steuerung der Bewegung eines Ventils 212 in einem nockenwellenlosen
Verbrennungsmotor 10 gezeigt, und zwar zwischen einer vollständig geschlossenen
Stellung (in 2a dargestellt)
und einer vollständig
geöffneten
Stellung (in 2b dargestellt).
Die Einrichtung 210 weist einen elektromagnetischen Ventilaktuator
(EVA) 214 mit einer oberen und einer unteren Spule 216, 218 auf,
die eine Ankerplatte 220 elektromagnetisch gegen die Rückstellkräfte einer
oberen und einer unteren Feder 222, 224 antreiben,
wodurch die Bewegung des Ventils 212 gesteuert wird.
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Weiterhin
sind Stellungssensoren vom Schaltertyp 228, 230 und 232 derart
angeordnet, dass diese umschalten, wenn die Ankerplatte 220 am
Ort des jeweiligen Sensors vorbeikommt. Dabei wird ausgenutzt, dass
Stellungssensoren vom Schaltertyp auf der Basis optischer Technologien
(beispielsweise mittels LEDs und Fotozellen) einfach hergestellt
werden können,
und dass diese, wenn diese mit entsprechenden asynchronen Schaltkreisen
verbunden sind, ein Signal mit einer ansteigenden Signalkante in
dem Moment liefern, in dem die Ankerplatte am Ort des Sensors vorbeikommt.
Es wird weiterhin vorausgesetzt, dass derartige Sensoren im Vergleich
zu kontinuierlichen Positionssensoren preiswerter sind, und dass
sich diese als zuverlässig erweisen.
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Eine
Steuereinheit 234 (die mit der Motorsteuerung 12 kombiniert
werden kann oder als separate Steuereinheit ausgebildet sein kann)
steht in Wirkverbindung mit den Stellungssensoren 228, 230 und 232 und mit
den oberen und unteren Spulen 216, 218, um die
Betätigungen
und das Erreichen der Endstellungen des Ventils 212 zu
steuern.
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Der
erste Stellungssensor 228 ist in einer Mittelposition zwischen
den Spulen 216, 218, der zweite Sensor 230 in
der Nähe
der unteren Spule 218 und der dritte Sensor 232 in
der Nähe
der oberen Spule 216 angeordnet.
-
Wie
vorstehend beschrieben, weist der Verbrennungsmotor 10 in
einem Beispiel eine elektromechanische Ventilbetätigung (electro-mechanical
valve actuation, EVA) auf, um eine Maximierung des Drehmoments über einen
breiten Bereich von Motordrehzahlen zu ermöglichen und die Kraftstoffeffizienz
wesentlich zu verbessern. Die Vorteile bei der Kraftstoffausnutzung
werden dadurch erreicht, dass die Drosselklappe wegfallen kann und
die damit verbundenen Pumpverluste eliminiert werden können (oder
dass der Verbrennungsmotor mit im Wesentlichen geöffneter
Drosselklappe betrieben werden kann), wobei der Betriebsmodus des Verbrennungsmotors
und/oder der Hubraum durch eine direkte Steuerung der Ventilöffnungszeiten,
der Dauer und/oder der Schließzeiten
auf einer von Ereignis zu Ereignis orientierten Basis gesteuert
werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird – im Gegensatz zu einer drosselklappenbasierten
Drehmomentsteuerung – die
Einlassventilschließzeit
(intake valve closing, IVC) angepasst, um das gewünschte Motorausgangsdrehmoment
zu erhalten. Falls das gewünschte
Drehmoment niedrig ist, ist der Luftbedarf des Motors ebenfalls
niedrig und dementsprechend wird die IVC-Zeiteinstellung dahingehend
angepasst, dass das Einlassventil zwangsweise früher geschlossen wird. Im Rahmen
der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass bei hohen Motordrehzahlen
und niedrigen Drehmomentanforderungen die Zeit, die zum Öffnen und
Schließen
des Einlassventils zur Lieferung der geforderten Luftmasse zur Verfügung steht,
ausgesprochen kurz werden kann, so dass die Aktuatoren (die eine
endliche Reaktionszeit aufweisen) dies irgendwann nicht mehr bewältigen können.
-
Bei
derartigen Bedingungen, bei denen die Steuerung der Gemischzufuhr
bei einem frühen
Schließen des
Einlassventils (EIVC) beeinträchtigt
werden kann, wird zu einer Strategie mit einem späten Schließen des Einlassventils übergegangen
(bei der das Ventil nach dem unteren Totpunkt [bottom dead center,
BDC] während
des Kompressionshubes geschlossen wird). In einem Betriebsmodus
mit ei nem späten
Schließen
der Einlassventile (LIVC) wird mehr Ladung angesaugt als eigentlich
benötigt
wird, woraufhin die überschüssige Ladung
in den Einlasskanal durch die aufwärtige Bewegung des Kolbens
zurück
gedrückt
wird. Ein Beispiel, wie die Auswahl des Ventilschließmodus durchgeführt werden
kann, ist in dem Diagramm gemäß 3 dargestellt. Weiterhin
wird weiter unten eine Routine zur Steuerung der Ventilzeiteinstellung
unter Bezugnahme auf 10 näher beschrieben,
mit der die vorstehend beschriebenen Nachteile behoben werden können.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde ein Problem beim Übergang
zwischen diesen beiden Modi erkannt. Ein Übergang zwischen einem Motorbetriebsmodus
mit einem frühen
Schließen
des Einlassventils (EIVC) und einem Motorbetriebsmodus mit einem
späten
Schließen
des Einlassventils (LIVC), welcher als Reaktion auf eine nachlassende
Drehmomentanforderung bei hohen Motordrehzahlen erforderlich sein
kann, erweist sich als schwierig zu managen. Diese Schwierigkeit
wird nachfolgend detaillierter beschrieben:
Wenn begonnen wird,
die Luft/Kraftstoffladung aus einem Zylinder in den Einlasskanal
zurück
zu drücken,
wird hierdurch die Luft/Kraftstoffmischung, die den nachfolgenden
Zylindern zugeführt
wird, gestört.
Hierdurch entstehen Abweichungen hinsichtlich des Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnisses,
wodurch negative Auswirkungen auf die Wirksamkeit des Katalysators
und damit die Emissionen am Abgasendrohr auftreten können. Mit
anderen Worten wird durch das in den Einlasskanal zurück gedrückte Luft/Kraftstoffgemisch
das bei nachfolgenden Zylinderereignissen angesaugte Luft/Kraftstoffgemisch
geändert.
Dieser Effekt ist in 4 illustriert.
-
Insbesondere
sind aus 4 sprunghafte
Abweichungen im gemessenen Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis ersichtlich,
die durch Übergänge zwischen
einem Betrieb im EIVC-Modus und einem Betrieb im LIVC-Modus entstehen,
wobei in beiden Modi der Luftzufluss und die injizierte Kraftstoffrate
im Wesentlichen konstant gehalten werden.
-
In 5 wird zunächst ein
Algorithmus beschrieben, mit dem der Einfluss des Effekts des Kraftstoffs und
der verbliebenen Restgase (residuals), die im LIVC-Modus zurück gedrückt werden,
abgeschätzt
wird. Generell wird im Rahmen dieses Algorithmus über die
Massen des gasförmigen
Kraftstoffs und der verbliebenen Restgase (residuals) im Einlasskanal
Buch geführt
und diese Größen anhand
der Auswirkungen des Zurückdrückens – nachfolgend
kurz als "Pushback" bezeichnet – aktualisiert.
Auf der Basis der auf diese Weise entwickelten Schätzeinrichtung
für die
Pushback-Massen des Kraftstoffs und der Restgase ist aus 6 ein Regler ersichtlich,
der eine transiente Kompensation ermöglicht, um die Abweichungen
des Luft/Kraftstoffverhältnisses
gegenüber
dem gewünschten
Wert während
der Übergänge zu minimieren.
Zusätzlich
wird das geschätzte
Verhältnis
von Restgasen bzw. Residuen zur Luft im Zylinder verwendet, um die
erforderliche MBT-Zündzeiteinstellung
(maximum brake torque) und das Motordrehmoment korrekt abzuschätzen, um
auf diese Weise die Fahreigenschaften des Fahrzeugs und die Kraftstoffökonomie
zu verbessern.
-
Mit
dem Algorithmus gemäß
5 wird die Masse des gasförmigen Kraftstoffes,
der Restgase (residuals), der Luft und der Masse der flüssigen Kraftstofflache
(fuel puddle) jeweils von Ereignis zu Ereignis bestimmt. Für diese
Variablen wird die folgende Notation benutzt:
-
Die
Eingangsgrößen des
Algorithmus sind:
Wcyl(k): Luftmassenstrom
(in kg/s), der anhand einer EVA-Motorluftladungsschätzfunktion
als Funktion der gegenwärtigen
Ventilzeiteinstellung und anderer Motorbetriebsparameter abgeschätzt wird;
N(k):
Motordrehzahl (gemessen);
Wcyl,BDC(k)
Luftmassenstrom (in kg/s), abgeschätzt anhand der EVA-Motorluftladungsschätzfunktion
unter der Annahme, dass das Schließen des Einlassventils (IVC)
am unteren Totpunkt (BDC) stattfinden würde. Diese Größe kann
auch als kalibrierbare Korrekturfunktion angesehen werden.
Wf,i(k): Kraftstoffzufuhrrate des Kraftstoffeinspritzers
(in kg/s);
X(k), τ(k):
Wandbenetzungsanteil und Zeitkonstante, abgeschätzt anhand einer transienten
Kraftstofffunktion als Funktion der aktuellen Motorbetriebsbedingungen
(Motordrehzahl, Einlasstemperatur, Einlassdruck). Die transiente
Kraftstofffunktion gibt eine Schätzung
der Kraftstoffmenge wieder, die zwar in den Einlasskanal eingespritzt
wurde, aber während
des vorhergehenden Einlassereignisses nicht in den Verbrennungsprozess
eingeführt
wurde, bedingt dadurch, dass diese Kraftstoffmenge im Einlasskanal
zurückgeblieben
ist, üblicherweise
in einer Lache (puddle) im Einlasskanal;
mf,cvp(k):
Kraftstoffmasse (in kg), die in den Zylinder bedingt durch einen
Kraftstoffspülvorgang
eintritt, abgeschätzt
anhand einer Kraftstoffspülungsfunktion;
m nom / r(k):
nominelle Masse der Residuen (residuals) pro Zylinder (in kg), bedingt
durch die Überlappung
und die Zeiteinstellung der Auslassventile, vorhergesagt auf der
Basis eines nominellen Models.
-
Unter
Bezugnahme auf 5 wird
nachfolgend ein Beispiel eines Schätzungs-Algorithmus näher erläutert. Zunächst wird in Schritt 510 eine
Abfrage durchgeführt,
ob der aktuelle Betriebsmodus der Einlassventile EIVC oder LIVC
ist. Wenn die Antwort in Schritt 510 lautet, dass der aktuelle
Modus LIVC ist, dann werden die folgenden Berechnungen und Bestimmungen
für den
Gemischzuführungsmodus
mit einem späten
Einlassventilschließen
(LIVC) beginnend mit Schritt 512 durchgeführt: Zunächst wird
in Schritt 512 die Gesamtmasse im Einlasskanal gemäß Gleichung
5.1 abgeschätzt: mMan(k)
= ma,Man(k) + mr,Man(k)
+ mf,Man(k) (Gl. 5.1)
-
Dann
wird in Schritt
514 mittels der Gleichung 5.2 die aktuelle
Ladung pro Ereignis, die in den Einlasskanal einströmt und diesen
verlässt
bei gegebener Schätzung
des aktuellen Zylinderflusses abgeschätzt:
-
Als
nächstes
wird in Schritt
516 mittels Gleichung 5.3 die Ladung pro
Ereignis, die in den Einlasskanal herein strömt und diesen verlässt, falls
der Einlassventilschließzeitpunkt
(IVC) bei dem unteren Totpunkt (BDC) wäre, bei gegebenem Zylinderfluss
am unteren Totpunkt abgeschätzt:
-
Als
nächstes
wird in Schritt 518 mittels Gleichung 5.4 die gesamte Pushback-Ladungsmasse berechnet: Cpb(k)
= CCyl,BDC(k) – CCyl(k) (Gl. 5.4)
-
Anschließend werden
in Schritt
520 die Mengen des gasförmigen "Pushback"-Kraftstoffes,
der "Pushback"-Residuen und der
Luft, die in die Zylinder am unteren Totpunkt (BDC) aus dem Einlasskanal
einströmt, gemäß den Gleichungen
5.5 bis 5.7 abgeschätzt:
-
Anschließend werden
in Schritt
522 die in dem Zylinder am unteren Totpunkt
(BDC) enthaltenen Mengen des Kraftstoffs, der Residuen und der Luft
gemäß den Gleichungen
5.8 bis 5.12 abgeschätzt.
In einer alternativen Ausführungsform
können
auch die Kraftstoffdämpfe,
die bei einem Spülen
eines Kraftstoffkanisters (Sammelbehälter für Kraftstoffdämpfe) freigesetzt
werden, bei der Aktualisierung des Einlasskanalzustandes berücksichtigt
werden:
-
Als
nächstes
werden in Schritt
524 die Pushback-Mengen des Kraftstoffs,
der Residuen und der Luft anhand der Gleichungen 5.13 bis 5.15 abgeschätzt:
-
Als
nächstes
werden in Schritt
526 die Zustandsvariablen des Einlasskanals
(Masse des gasförmigen Kraftstoffes,
der Residuen, der Luft und der flüssigen Kraftstofflache) aktualisiert:
-
Wenn
die Antwort in Schritt 510 dagegen einen Gemischzuführungsmodus
mit einem frühen
Einlassventilschließen
(EIVC) anzeigt, wird der Programmablauf bei Schritt 530 fortgesetzt.
Zunächst
wird in Schritt 530 die gesamte Masse im Einlasskanal mittels
der Gleichung 5.21 abgeschätzt: mMan(k)
= ma,Man(k) + mr,Man(k)
+ mf,Man(k) (Gl. 5.21)
-
Anschließend wird
in Schritt
532 die aktuelle Ladung pro Ereignis, die in
den Einlasskanal eintritt und diesen verlässt, bei gegebener aktueller
Schätzung
des Zylinderflusses anhand der Gleichung 5.22 abgeschätzt:
-
Anschließend werden
in Schritt 534 die Änderungen
der Massen des gasförmigen
Kraftstoffes, der Residuen sowie der Luft im Einlasskanal als Ergebnis
des Ansaugvorgangs des Gemisches in dem Zylinder anhand der Gleichungen
5.23 bis 5.25 abgeschätzt.
-
-
Anschließend werden
in Schritt
536 die Mengen des Kraftstoffs, der Residuen
und der Luft im Zylinder beim Schließen der Einlassventile (IVC)
anhand der Gleichungen 5.26 bis 5.30 abgeschätzt. Wie vorstehend bereits
erwähnt,
kann alternativ ein durch einen Spülvorgang eines Kraftstoffkanisters
bedingter Kraftstoffbeitrag bei der Aktualisierung der Einlasskanalzustände berücksichtigt
werden:
-
Schließlich werden
in Schritt
538 die Einlasskanalzustandsvariablen (Masse
des gasförmigen
Kraftstoffes, Residuen, Luft und flüssige Kraftstofflache) anhand
der Gleichungen 5.31 bis 5.34 aktualisiert:
-
Auf
diese Weise wird es möglich,
die im Einlasskanal befindlichen und in die Zylinder eintretenden Luft-,
Kraftstoff- und Residualmengen abzuschätzen, und dies auch dann, wenn
der Verbrennungsmotor in verschiedenen Ventilschließzeitmodi
betrieben wird, einschließlich
Modi mit einem frühen
und einem späten
Ventilschließen.
Weiterhin ist es möglich,
die Luft-, Kraftstoff- und Residualmengen bei transienten Betriebsbedingungen,
einschließlich Übergängen zwischen
den beiden Ventilschließmodi,
abzuschätzen.
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In
den 7 bis 9 ist die Leistungsfähigkeit
des Algorithmus nach entsprechender Anpassung, die von spezifischen
Parametern des jeweiligen Verbrennungsmotors abhängig ist und die durch experimentelle
Versuche erreicht werden kann, dargestellt. Es ist anzumerken, dass
der Schätzalgorithmus
die Abweichungen im Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis vorhersagt, die bei einem Übergang
zwischen den Ventilschließmodi
auftreten.
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Unter
Bezugnahme auf 6 wird
nachfolgend ein Luft/Kraftstoffverhältnisregler beschrieben, der vorteilhaft
eingesetzt werden kann, um Änderungen
im Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis bei Übergängen zwischen
Ventilzeiteinstellungsmodi zu kompensieren. Generell wird im Rahmen
dieser Routine die erforderliche Kraftstoffeinspritzung basierend
auf dem gewünschten
Luft/Kraftstoffverhältnis
und einer Schätzung
der Luft, des Kraftstoffs, und der Residuen, die in den Zylinder
einströmen
werden, abgeschätzt,
unabhängig
davon, ob EIVC oder LIVC eingesetzt wird. Wie vorstehend beschrieben,
entspricht in einem Ausführungsbeispiel
das gewünschte
Luft/Kraftstoffverhältnis
näherungsweise
dem stöchiometrischen
Wert. Auf diese Weise wird das Luft/Kraftstoffverhältnis während der
Rückkopp lungsregelung
derart gesteuert, dass es um den stöchiometrischen Wert herum oszilliert.
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Zunächst wird
in Schritt 610 das gewünschte
Luft/Kraftstoffverhältnis λd basierend
auf den Motorbetriebsbedingungen – beispielsweise der Zeitdauer,
seit der der Motor gestartet wurde, der Zeit zwischen verschiedenen
Motorstarts, der Motorkühlmitteltemperatur
sowie verschiedener anderer Parameter – bestimmt. Anschließend wird
in Schritt 612 das aktuelle Luft/Kraftstoffverhältnis basierend
auf dem UEGO-Signal gemessen. Dabei ist anzumerken, dass die Routine
sowohl in einem Modus mit offenem Regelkreis (d.h. ohne Rückkopplung
durch das UEGO-Signal)
als auch in einem Rückkopplungsmodus
(d.h. mit Rückkopplung
anhand des UEGO-Signals) betrieben werden kann, abhängig von
den jeweiligen Betriebsbedingungen.
-
Anschließend wird
in Schritt
614 eine Abfrage durchgeführt, ob der aktuelle Betriebsmodus
EIVC oder LIVC ist. Wenn die Antwort in Schritt
614 lautet,
dass der aktuelle Modus LIVC ist, dann wird die Routine mit Schritt
616 fortgesetzt
und die eingespritzte Kraftstoffrate anhand der folgenden Gleichung
6.1 bestimmt, um das gewünschte
Luft/Kraftstoffverhältnis λ
d aufrecht
zu erhalten:
-
Alternativ
wird für
den EIVC-Modus in Schritt
618 gemäß der folgenden Gleichung 6.2
die einzuspritzende Kraftstoffrate bestimmt, mit der ein gewünschtes
Luft/Kraftstoffverhältnis λ
d aufrecht
erhalten werden soll:
-
Die
mittels Gleichung 6.2 berechnete Kraftstoffrate, die im EIVC-Modus
einzuspritzen ist, kann auch negativ sein. Das bedeutet, dass die
Menge des in den Einlasskanal zurück gedrückten Kraftstoffs groß ist, und – da es
nicht möglich
ist, dem Einlasskanal Kraftstoff zu entziehen -, dass dies zu einem
angereicherten Luft/Kraftstoffverhältnis führt, selbst wenn die Kraftstoffzufuhr
vollständig
abgeschnitten wird. Daher kann es erforderlich sein, die Kraftstoffeinspritzung
in einem derartigen Fall vollständig
zu unterbrechen. D.h., dass, falls die Kraftstoffrate gemäß Gleichung
6.2 negativ ist, die Kraftstoffrate auf Null gesetzt wird, und die
Ventilzeiteinstellung dahingehend angepasst wird, dass ein stöchiometrisches
Luft/Kraftstoffverhältnis
geliefert wird. Insbesondere, falls
W
f,i(k)
= 0
und der Zylinderfluss gleich
dann ist das in den Zylinder
eingeführte
Luft/Kraftstoftverhältnis
gleich dem gewünschten
Wert:
-
Der
gewünschte
Zylinderfluss wird der Ventilzeitsteuerung als Befehl zugeführt, woraufhin
diese eine angepasste IVC-Zeiteinstellung berechnet, die zur Aufrechterhaltung
des gewünschten
Luft/Kraftstoffverhältnisses
(A/F ratio) erforderlich ist: IVC(k) = f–1(Ccyl,d(k))
-
Bedingt
durch den größeren Luftmassenstrom
in den Zylinder kann dies zu einem erhöhten Motordrehmoment führen. Um
derartige potentielle Drehmomentabweichungen kompensieren zu können, wird
eine Zündzeitpunktspätverstellung
vorgenommen, um dem Drehmomentszuwachs zu eliminieren und damit
eine exakte Steuerung sowohl des Luft/Kraftstoffverhältnisses
als auch des Drehmoments zu erzielen, sogar für den Fall, dass signifikante
Störungen
durch Änderungen
vom EIVC-Modus zum LIVC-Modus oder umgekehrt verursacht werden.
-
Weiterhin
können – wie vorstehend
erwähnt – Rückkopplungskorrekturen
basierend auf den Messwerten eines UEGO-Sensors den Zählern dieser
Ausdrücke
hinzugefügt
werden, falls eine Rückkopplungskorrektur
gewünscht
ist.
-
Auf
diese Weise wird im Rahmen der beschriebenen Routine die Luft und
der Kraftstoff, der in den Einlasskanal zurück gedrückt wird und anschließend bei
nachfolgenden Zylinderereignissen angesaugt wird, berücksichtigt.
Während
eines Übergangs
zwischen den Betriebsmodi der Ventile wird der eingespritzte Kraftstoff angepasst,
so dass Fehler im Luft/Kraftstoffverhältnis gegenüber dem gewünschten Wert reduziert werden. Auf
diese Weise kann die Steuerung den in die Zylinder eingespritzten
Kraftstoff basierend auf den transienten Effekten bei einer Änderung
der Ventilzeiteinstellung anpassen, wobei die Luft und/oder der
Kraftstoff, der in den Einlasskanal zurück gedrückt und in nachfolgende Motorzylinder
angesaugt wird, berücksichtigt
wird.
-
Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung können
im Rahmen der Routine die Restgase bzw. Residuen bei der Korrektur
der Zündzeiteinstellung
berücksichtigt
werden. Hierzu werden die im Zylinder befindlichen Massen der Luft
und der Residuen abgeschätzt
und deren Verhältnis
(d.h. der Anteil des verbrannten Gemisches) als Eingangsgröße für die Maximaldrehmoment-(MBT)-Zündtabellen
in Schritt 620 eingesetzt.
-
Unter
Bezugnahme auf 7 werden
Messdaten dargestellt, die sich bei einem Motorbetrieb gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung erge ben. Insbesondere wird in
dem oberen Graphen das Luft/Kraftstoffverhältnis mit und ohne Kompensation
während
eines Übergangs
von EIVC zu LIVC und von LIVC zu EIVC dargestellt. Der mittlere
Graph zeigt, wann die Übergänge stattfinden
und der untere Graph zeigt die Anpassungen der injizierten Kraftstoffmenge
entsprechend dem vorstehend beschriebenen Kompensationsschema. Weiterhin
ist aus dem Graphen ersichtlich, dass bei dem Übergang bei etwa 21 Sekunden
die Pushback-Effekte auch durch ein Einstellen der Kraftstoffseinspritzung
nicht vollständig
kompensiert werden können
. Wie vorstehend beschrieben, kann durch Anpassung der Ventilzeiteinstellung
(beispielsweise des Luftmassenstroms) das Verhalten weiter verbessert
werden, falls dies gewünscht
ist.
-
In
den 8A bis 8C sind detailliertere Daten
bei einem Betrieb bei 1500 Umdrehungen pro Minute dargestellt. Aus
diesen Figuren ist ersichtlich, wie sich das vorhergesagte Luft/Kraftstoffverhältnis basierend auf
den vorstehenden Gleichungen im Vergleich zu den gemessenen Luft/Kraftstoffverhältnisdaten
verhält. Insbesondere
ist in 8A eine enge
Korrespondenz zwischen dem Modell (gestrichelt) und den Daten (durchgezogen)
ersichtlich. In 8B ist
das erforderliche Kraftstofftastverhältnis bzw. die Kraftstoffpulsweite dargestellt,
das bzw. die generiert werden müsste,
um die Abweichung gemäß den vorstehenden
Gleichungen zu kompensieren. Weiterhin sind in 8C interne Zustände des Modells dargestellt.
Die 8D bis 8F zeigen entsprechende Daten
bei einer Motordrehzahl von 2500 Umdrehungen pro Minute.
-
In 9 sind weitere Ergebnisse
mit Modell-Resultaten bei 1500 Umdrehungen pro Minute dargestellt,
aus denen ersichtlich ist, dass sowohl Variationen der Ventilzeiteinstellung
als auch Änderungen
des einzuspritzenden Kraftstoffes bewältigt werden können.
-
Unter
Bezugnahme auf 10 wird
nachfolgend eine Routine zur Bestimmung des angeforderten Motordrehmoments
und des Motorluftmassenstromes und, darauf basierend, der Steuerung
der Ventilzeiteinstellung beschrieben. Zunächst wird in Schritt 1010 die
Fahreranforderung aus dem entsprechenden Signal (PP) bestimmt. Beispielsweise
wird durch die Routine ein angefordertes Motordrehmo ment basierend
auf der Pedalstellung – optional
anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit angepasst – bestimmt. Darüber hinaus
können verschiedene
andere Ansätze
zur Berücksichtigung
der Fahreranforderung eingesetzt werden. Ausgehend von Schritt 1010 wird
die Routine mit Schritt 1012 fortgesetzt, in dem eine Abfrage
durchgeführt
wird, ob das Fahrzeug in einem anderen Modus betrieben wird als
einem Modus, der (direkt) der Fahreranforderung folgt. Andere derartige
Modi können
beispielsweise ein Tempomat-Modus (cruise control mode), bei dem
die Fahrzeuggeschwindigkeit im Zusammenhang mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssollwert
herangezogen wird, um den Betrieb des Verbrennungsmodus zusteuern,
eine Traktionskontrolle, bei der der Radschlupf herangezogen wird,
um die Ausgangsleistung des Motors zu steuern, eine Leerlaufdrehzahlregelung,
bei der die Motordrehzahl unabhängig
von der Fahreranforderung rückgekoppelt
geregelt wird, oder eine Fahrzeug-Stabilitätskontrolle sein. Wenn die
Antwort in Schritt 1012 "Ja" ist,
wird die Routine mit Schritt 1014 fortgesetzt und das gewünschte Motordrehmoment
basierend auf dem anderen Betriebsmodus bestimmt.
-
Wenn
die Antwort in Schritt 1012 dagegen "Nein" lautet,
wird die Routine mit Schritt 1016 fortgesetzt, in dem das
gewünschte
Motordrehmoment basierend auf der Fahreranforderung in Schritt 1010 bestimmt
wird. Beispielsweise kann im Rahmen der Routine das gewünschte Motordrehmoment
basierend auf der gewünschten
Raddrehmoment und anderen Parametern einschließlich dem Übersetzungsverhältnis und
dem Drehmomentverhältnis über dem
Drehmomentwandler berechnet werden. Anschließend wird die Routine mit Schritt 1018 fortgesetzt,
in dem der gewünschte
Luftmassenstrom basierend auf dem gewünschten Motordrehmoment bestimmt
wird. Dies kann anhand von Motorsteuertabellen erfolgen, die Parameter
wie Motordrehzahl, Motorkühlmitteltemperatur,
Luft/Kraftstoffverhältnis
und viele andere Parameter enthalten können. Alternativ kann die gewünschte Luftmenge
durch die Routine auch als Luftladungswert basierend auf dem gewünschten Motordrehmoment
bestimmt werden.
-
Nach
Schritt 1018 wird die Routine mit Schritt 1020 fortgesetzt,
in dem bestimmt wird, ob der gewünschte
Luftmassenstrom kleiner ist als eine erste Grenze A-1, und ob die
Motordrehzahl größer ist
als eine zweite Grenze N-1. Wenn die Antwort in Schritt 1020 "Ja" lautet, wird die
Routine mit Schritt 1022 fortgesetzt, in dem die Einlassventilschließzeit nach
bzw. hinter dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung liegt. Wenn die
Antwort in Schritt 1020 dagegen "Nein" ist,
wird die Routine mit Schritt 1024 fortgesetzt, bei dem
die Ventilschließzeit
des Einlassventils vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung liegt.
Es ist anzumerken, dass der Betrieb gemäß den Schritten 1022 und 1024 als
spätes
Einlassventilschließen
bzw. als frühes
Einlassventilschließen
bezeichnet werden kann, abhängig
davon, ob das Schließen
des Einlassventils nach oder vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung
während
des Einlasshubes stattfindet. Schließlich wird in Schritt 1026 die
Ventilzeiteinstellung (entweder früher oder später) kontrolliert, um das gewünschte Motordrehmoment
bereitzustellen und hierdurch der gewünschten Fahreranforderung nachzukommen.
-
Es
ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung auch für andere
Typen variabler Ventilsysteme einsetzbar ist, die ein variables
Ventilheben oder eine variable Ventilzeitsteuerung aufweisen. Ein
derartiges System wird beispielhaft nachfolgend anhand von 11A beschrieben, in der
ein System mit variabler Nockenwellenzeiteinstellung (variable cam
timing, VCT) dargestellt ist. Dabei kann jeder geeignete VCT-Mechanismus eingesetzt
werden. Beispielsweise kann ein Dual-Gleichlaufsystem (dual equal system)
eingesetzt werden, bei dem sowohl Einlass- als auch Auslassventile gleichermaßen über eine
gemeinsame Nockenwelle angepasst werden können. Alternativ kann auch
lediglich eine Zeiteinstellung der Einlassventilnocken oder der
Auslassventilnocken vorgesehen sein.
-
11A zeigt ein Blockdiagramm
eines Verbrennungsmotors, bei dem ein System mit variabler Nockenwellenzeiteinstellung
vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform
weist ein Verbrennungsmotor 10 einen bestimmten variablen
Nockenwellenzeiteinstellungsmechanismus auf, mit dem die Ventilzeiteinstellung
gesteuert werden kann. Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung – zusätzlich zu
nockenwellenlosen Verbrennungsmotoren und Verbrennungsmotoren mit
variabler Ventilzeiteinstellung – gleichfalls bei anderen Typen
von Verbrennungsmotoren mit variabler Nockenwellenzeiteinstellung
(VCT) verwendet werden.
-
Der
Verbrennungsmotor 10 mit Direkteinspritzung weist eine
Mehrzahl von Brennkammern oder Zylindern 12 mit Zylinderwänden 14 mit
darin befindlichen Kolben 16 auf. Jeder Kolben 16 ist über ein
Pleuel 18 mit einer Kurbelwelle 20 verbunden.
Die Brennkammer bzw. der Zylinder 12 ist gemäß der Darstellung
mit einem Einlasskanal 22 und einem Auslasskanal 24 über Einlassventile 26 und
Auslassventile 28 verbunden. Ein Kraftstoffeinspritzer 30 steht
direkt mit der Brennkammer 12 in Verbindung, wodurch der
Kraftstoff in einer oder mehreren Einspritzungen oder Ereignissen
direkt in den Zylinder 12 basierend auf dem Tastverhältnis bzw.
der Pulsweite des Signals fpw, welches durch eine elektronische
Motorsteuerung 32 generiert und durch eine konventionelle
elektronische Treiberstufe 34 konditioniert wird, eingespritzt
wird.
-
Der
Einlasskanal 22 enthält
eine Drosselklappenanordnung 36, die eine Drosselklappenplatte
oder ein Ventil 38 aufweist, dass zur Modulation des Luftflusses
durch den Einlasskanal 22 verwendet werden kann. In dieser
speziellen Ausführungsform
ist die Drosselklappenplatte 38 mit einem Elektromotor 40 verbunden,
der ein Steuersignal von einer Steuerung 32 zur Positionierung
der Drosselklappenplatte 38 innerhalb des Einlasskanals 22 erhält. Die
Stellung der Drosselklappe 38 wird durch einen passenden
Drosselstellungssensor 42 überwacht, der ein Drosselstellungs-(TP)Signal
an die Motorsteuerung 32 sendet. Über die Motorsteuerung wird
eine rückgekoppelte
Lageregelung der Drosselklappe 38 durchgeführt, wodurch
der Luftmassenstrom in den Einlasskanal 22 und in die Zylinder 12 gesteuert
wird. Eine derartige Konfiguration wird üblicherweise als elektronische
Drosselklappe (electronic throttle control, ETC) bezeichnet.
-
Ein
Abgassauerstoffsensor 44 ist oberhalb eines Katalysators 46 im
Auslasskanal 24 angeordnet. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel
liefert der Sensor 44 ein entsprechendes Signal (EGO) an
die Motorsteuerung 32, das dann in ein entsprechendes Zweizustandssignal
(EGOS) zur Verwendung in einer rückgekoppelten
Lamda-Steuerung verwendet wird. Ein logischer "High"-Spannungszustand
des Signals EGOS zeigt an, dass die Abgase gegenüber der Stöchiometrie mager sind. Verschiedene
andere Typen von Abgassensoren können
ebenfalls einge setzt werden und weisen verschiedene Vorteile und
Nachteile auf, die dem Fachmann bekannt sind.
-
Die
Motorsteuerung 32 steuert den Betrieb des Verbrennungsmotors 10 und
wählt den
jeweils passenden Betriebsmodus für die jeweiligen Betriebsbedingungen
und die Anforderungen des Fahrers aus. Beispielsweise kann im Falle
eines DISI-Motors
u.a. zwischen einem stratifizierten (Schichtbetrieb) oder einem
homogenen Betrieb ausgewählt
werden. Im Falle eines Motors mit Einlasskanaleinspritzung kann
zwischen einem stöchiometrischen,
einem angereicherten oder einem mageren Betrieb ausgewählt werden.
-
Um
die Emissionen am Abgasendrohr weiter zu reduzieren, kann ein zweiter
Dreiwegekatalysator (Emissionsbegrenzungseinrichtung 52)
eingesetzt werden, der typischerweise stromabwärts des Katalysators 46 angeordnet
wird. Die Einrichtung 52 absorbiert das NOx, das von dem
Verbrennungsmotor bei einem stöchiometrischen
oder mageren Betrieb produziert wird. Die Einrichtung 52 kann
dann periodisch gespült
oder regeneriert werden, um die Effizienz der Abgasreinigung sicherzustellen.
Während
eines derartigen Reinigungszyklus wird der Verbrennungsmotor 10 mit
einem fetten oder stöchiometrischen
Verhältnis
homogen betrieben, so dass reduzierende Substanzen (wie z.B. HC
und CO) in dem der Stickoxidfalle (LNT) 52 zugeführten Abgas
in ihrer Konzentration verstärkt
werden. Die überflüssigen HC-
und CO-Gasbestandteile reagieren mit dem gespeicherten NOx, wodurch
die Einrichtung 52 gespült
bzw. regeneriert wird.
-
Die
Motorsteuerung 32 ist in 11A als
konventioneller Mikrocomputer mit Mikroprozessoreinheit 60 in
Verbindung mit verschiedenen computerlesbaren Speichermedien dargestellt,
die zusammen durch die Bezugziffer 62 bezeichnet werden
sollen und die über
einen Daten- und Adressbus verbunden sind. Die computerlesbaren
Speichermedien 62 sind bevorzugt physikalische Speichergeräte, z.B.
Nur-Lesespeicher (ROM) 64, RAM-Speicher 66 und ähnliche
Speichereinheiten, die dazu geeignet sind, Daten zu speichern, die
ausführbare
Instruktionen und Kalibrierinformationen zur Nutzung durch den Mikroprozessor 60 zur
Steuerung des Verbrennungsmotors 10 darstellen können. Die
computerlesbaren Speicher medien 62 können verschiedene andere Typen
von temporären
oder permanenten Speichern, z.B. EPROM, EEPROM, Flash oder andere
Typen magnetischer, optischer oder kombinierter Einheiten zur Speicherung
von Daten sein. Die Steuereinheit 32 enthält weiterhin
verschiedene Ein/Ausgabeports 68, die eine Signalkonditionierung,
eine Detektion, eine Skalierung, eine Kurzschlusssicherung od. dgl.
zur Kommunikation mit verschiedenen Sensoren und Aktuatoren zur
Steuerung des Verbrennungsmotors 10 bereitstellen können.
-
Während des
Betriebes erhält
die Motorsteuerung 32 Signale von verschiedenen Sensoren,
z.B. von einem Luftmassenstromsensor (MAF) 70, einem Einlassdrucksensor
(MAP) 72, einem Katalysatortemperatursensor (Tcat1) 74,
einem Stickoxidfallen-Temperatursensor (Tcat2) 76, einem
Motorkühlmitteltemperatursensor
(ECT) 78 und einem Kurbelwellenstellungssensor 80.
Die Motorsteuerung 32 generiert ein Motordrehzahlsignal
(RPM) aus einem Zündprofilsignal
(PIP), das von dem Kurbelwellenstellungssensor 80 abhängig von der
Rotation der Kurbelwelle 20 erzeugt wird.
-
Weiter
Bezug nehmend auf 11A steht
eine Nockenwelle 90 des Verbrennungsmotors 10 mit
Ventilkipphebeln 92 und 94 zur Betätigung der
Einlassventile 26 und der Auslassventile 28 in
Verbindung, wodurch die in die Zylinder 12 eintretende
Luftladung und die aus dem Zylinder 12 austretenden Abgase
gesteuert werden. Die Nockenwelle 90 ist direkt mit einem
Gehäuse 96 verbunden.
Das Gehäuse 96 bildet
ein Zahnrad mit einer Vielzahl von Zähnen 98. Das Gehäuse 96 ist
hydraulisch mit einer inneren Welle (nicht dargestellt) verbunden,
welche wiederum direkt mit der Nockenwelle 90 über eine
Steuerkette (nicht dargestellt) verbunden ist. Auf diese Weise rotieren
das Gehäuse 96 und
die Nockenwellen 90 mit einer Drehzahl, die im Wesentlichen der
der inneren Nockenwelle entspricht. Die innere Nockenwelle rotiert
mit einem konstanten Drehzahlverhältnis relativ zu der Kurbelwelle 20.
Durch eine Manipulation der hydraulischen Kopplung zur Änderung
der relativen Stellung der Nockenwelle 90 zu der Kurbelwelle 20 wird
eine variable Nockenwellenzeiteinstellung erreicht. Die Manipulation
der hydraulischen Kopplung wird durch Variation der hydraulischen
Drücke
in einer Frühverstellungskammer 100 und
einer Spätverstellungskammer 102 erreicht.
Die Motorsteu erung 32 sendet Kontrollsignale (LACT, RACT)
zu konventionellen solenoidbetätigten
Ventilen (nicht dargestellt), um den Zufluss von Hydraulikfluid
entweder in die Frühverstellungskammer 100,
die Spätverstellungskammer 102 oder keine
der beiden zu steuern. Indem Hydraulikfluid unter hohem Druck in
die Frühverstellungskammer 100 fließen kann,
wird die relative Beziehung zwischen Nockenwelle 90 Kurbelwelle 20 in
Richtung früh
verstellt. Dadurch öffnen
und schließen
sowohl die Einlassventile 26 als auch die Auslassventile 28 in
Bezug auf die Kurbelwelle 20 um eine bestimmte Zeitdauer
früher
als normal. Dementsprechend wird durch die Zufuhr von Hydraulikfluid
unter Hochdruck in die Spätverstellungskammer 102 die
relative Einstellung zwischen Nockenwelle 90 Kurbelwelle 20 verzögert. Dadurch öffnen und
schließen
die Einlassventile 26 und die Auslassventile 28 um eine
Zeitdauer später
als normal in Bezug auf die Kurbelwelle 20.
-
Die
Zähne 98,
die mit dem Gehäuse 96 und
der Nockenwelle 90 verbunden sind, erlauben eine Messung
der relativen Nockenwellenstellung über einen Nockenwellenzeiteinstellungssensor 104,
der ein Signal (VCT) an die Motorsteuerung 32 liefert.
Die Zähne 98 weisen
bevorzugt gleich beabstandete Zähne 106, 108, 110 und 112 auf,
die zur Messung des Nockenwellenzeiteinstellung zusätzlich zu
einem Zahn 114 herangezogen werden können, welcher bevorzugt für die Zylinderidentifikation
verwendet wird.
-
Nachfolgend
wird eine alternative Ausführungsform
einer Pushback-Abschätzung
anhand der 11A näher erläutert, mittels
derer Variationen des Luft/Kraftstoffverhältnisses aufgrund von Variationen
der Nockenwellenzeiteinstellung bei einem verstellbaren Nockensystem – wie vorstehend
beschrieben – berücksichtigt
werden können.
Insbesondere wird unter Bezugnahme auf 11B eine Routine zur Anpassung der Kraftstoffeinspritzung
basierend auf der Pushback-Abschätzung
näher erläutert. Diese
Routine wird bevorzugt jeweils bei Motorzündereignissen (engine firing
events) ausgeführt
und weniger bevorzugt in festen Abfragezeitintervallen.
-
Zunächst werden
in Schritt 1110 verschiedene Parameter des Verbrennungsmotors
und des Ventilsystems eingelesen. Unter diesen Parametern befinden
sich die Ventilöffnungszeit
(DURATION), die nominelle Einlassventilöffnung (IVO), das maximale
Volumen (VMAX, Motorverdrängung
plus lichter Raum) sowie Regressionsparameter (INT, LIN, SQR), nachfolgend
näher anhand
der 12A und 12B beschrieben).
-
Anschließend wird
in Schritt 1112 der aktuelle Einlassventilschließwinkel
(ivc) basierend auf dem gemessenen Nockenwellenwinkel (cam_act),
wie in Gleichung 11.1 angegeben, berechnet: ivc = cam_act – IVO + DURATION – 180 Gl. 11.1
-
Anschließend wird
in Schritt 1114 das Zylindervolumen beim Einlassventilschließen (volume_ivc)
gemäß Gleichung
11.2 berechnet: volume_ivc
= INT + LIN·ivc
+ SQR·ivc2 Gl. 11.2
-
Die
Ausdrücke
INT, LIN und SQR werden durch eine Regression des Hubraums gegenüber der
Einlassventilschließzeit
in einer Anpassungsregion erhalten, wie in den 12A und 12B dargestellt. 12A zeigt die Variation
gegenüber
dem Schließen
aller Ventile, wohingegen 12B den
Bereich der tatsächlichen Ventilanpassung
für das
spezielle Ausführungsbeispiel
mit einer Dual-Gleich-Ventilverstellung (dual equal VCT) veranschaulicht.
-
In
Schritt 1116 wird im Rahmen der Routine anschließend die
aus dem Zylinder in den Einlasskanal gedrückte Ladung (pushback_chg)
basierend auf dem Zylindervolumen und dem Einlassventilschließen gemäß der nachfolgenden
Gleichung 11.3 berechnet: pushback_chg = ((VMAX-volume_ivc)/VMAX)·airchg·pushback_n_mul Gl 11.3,wobei
airchg die geschätzte
Luftladung im Zylinder (zu bestimmen über den Luftmassenstromsensor
und die Motordrehzahl) und pushback_n_mul ein Multiplikator ist,
der als Funktion der Motordrehzahl bestimmt wird, wobei dies mit
einer langsameren Rate als die Ausführung der Routine gemäß 11 geschehen kann.
-
Anschließend wird
in Schritt 1118 die Änderung
der zurück
gedrückten
Ladung basierend auf der in Schritt 1116 berechneten Ladung
und der berechneten Ladung von der vorhergehenden zurück gedrückten Ladung
dieses Zylinders berechnet, wie in Gleichung 11.4 dargestellt: del_pushback_chg = pushback_chg(i) – pushback_chg(i-8) Gl. 11.4
-
Dabei
ist anzumerken, dass der Index (i) für jedes Zylinderereignis steht.
Dementsprechend gilt (i-8) für
einem Achtzylindermotor. Für
einen Vierzylindermotor wäre
der Wert 8 in Gleichung 11.4 durch den Wert 4 zu ersetzen.
-
Anschließend wird
in Schritt 1120 der Luft/Kraftstoffeftekt (AF_equiv) durch
eine Änderung
der Pushback-Ladung anhand von Gleichung 11.5 berechnet: AF_equiv = (airch + del_pushback_chg)/airchg·NOMAF Gl. 11.5,wobei
NOMAF ein nominales Luft/Kraftstoffverhältnis darstellt, wie beispielsweise
die Stöchiometrie.
-
Anschließend wird
in Schritt 1122 ein Kraftstoffanpassungsbetrag (del_fuel_pushback)
zum Ausgleich von Luft/Kraftstoffeinflüssen der Pushback-Ladung, die durch
eine Variation des Ventilzeiteinstellung verursacht werden, gemäß Gleichung
11.6 berechnet: del_fuel_pushback
= del_pushback_chg/(lambse_des·14.6) Gl 11.6
-
Dabei
ist lambse_des ein gewünschtes
Luft/Kraftstoffverhältnis,
welches auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen bestimmt
werden kann. Insbesondere stellt lambse_des ein Reglerausgangssignal
eines rückgekoppelten
Luft/Kraftstofverhältnissteuerungssystems
dar, durch das der eingespritzte Kraftstoff derart angepasst wird,
dass ein gewünschtes
Luft/Kraftstoffverhältnis
basierend auf Abgassauerstoffsensoren im Abgaskanal des Verbrennungsmotors
aufrechterhalten wird.
-
Schließlich wird
in Schritt 1124 der in den Motor einzuspritzende Kraftstoff
basierend auf der Kraftstoffanpassung gemäß Schritt 1122 angepasst.
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Neben
dem in 11 dargestellten
Flussdiagramm auf einem hohen Abstraktionsniveau kann in einer alternativen
Ausführungsform
auch der nachfolgende detailliertere Code eingesetzt werden. Im
Rahmen dieses Algorithmus werden in vorteilhafter Weise verschiedene
Feldvariablen (arrays) eingesetzt, die mit unterschiedlichen Raten
aktualisiert werden, um hierdurch die Geschwindigkeit der Steuerung
zu optimieren. Insbesondere wird im Rahmen des Algorithmus ein FIFO-Array
(First in first out) mit der Länge
NUMCYL_0 (entsprechend der Anzahl der Zylinder des Motors 10)
zur Kompensation der Unterschiede im Pushback-Luft/Kraftstoff Gemisch bei einem plötzlichen
VCT-Übergang
eingesetzt. Die Zelle #0 des Arrays wird jeweils bei Signalkanten
des mittels des Kurbelwellensensors bestimmten PIP-Signals (ansteigend
und/oder fallend) aktualisiert. Für jedes Zylinderexplosionsereignis
tritt eine vollständige
PIP-Welle (PIP wave) auf. Die verbleibenden Array-Elemente werden
jeweils um eine Position nach unten geschoben (wodurch die Zelle #[NUMCYL-1]
gelöscht
wird). Jedes Element des FIFO-Arrays entspricht den Differenzen
der Pushback-Kraftstoffmassen zwischen dem aktuellen Zylinderereignis
und dem n-ten Ereignis zuvor.
-
Bei
derselben PIP-Signalkante wird bereits eine Kraftstoffberechnung
einer gewünschten
Kraftstoffmasse (mf_cyl) für
jeden Einspritzer basierend auf den Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren
und dem Luftmassenstromsensor durchgeführt. Entsprechend der Motorzündreihenfolge
werden Elemente des FIFO-Arrays zu jedem mf_cyl-Wert addiert. Dabei
wird eine Kompensation des Pushback- Phänomens
nicht vorgenommen, bevor der Motor die Umdrehungen während eines
Startvorganges beendet hat.
-
Durch
diesen Algorithmus wird somit die Größenordnung des Pushback-Phänomens berücksichtigt, wobei
jedoch die zusätzliche
Kompensation nicht bei dem Zylinder stattfindet, durch den der Fehler
verursacht wird, sondern in nachfolgenden Zylindern, wodurch insgesamt
im Mittel eine Reduzierung der Fehler der Luft/Kraftstoffverhältnisse
erreicht wird. Mit anderen Worten wird bedingt durch die Zeitbeschränkungen,
die zur Berechnung und Einspritzung von Kraftstoff zur Verfügung stehen,
die Kompensationen bei einem nachfolgenden Zylinder durchgeführt, um
auf diese Weise Luft/Kraftstofffehler zu korrigieren, die in einem
vorhergehenden Zylinder abgeschätzt
worden sind.
-
Der
Algorithmus benutzt folgende Kalibrierungsparameter:
FUL_IVO:
Einlassventilöffnungszeitdauer
bei null Grad VCT
Initialisierungswert = 225 + 7,5 = 232,5
ENG_VMAX:
maximales Motorvolumen unter Berücksichtigung
sowohl der Zylinderverdrängung
als auch des lichten Raums (in I).
Initialisierungswert = 5,94
FNFUL_PB_MUL(engine_speed):
Multiplikator für
die Pushback-Kraftstoffmasse bei einer Motordrehzahl
Initialisierungswert
= 1, Länge
6, aktualisiert mit einer Häufigkeit
von 50 ms
FUL_PB_COE[3]: Koeffizienten für die quadratische Regressionsgleichung
des Zylindervolumens:
FUL_PB_COE[0] = –6,8177
FUL_PB_COE[1]
= 0,13107
FUL_PB_COE[2] = –0,0003376
PB_CYL_EVNT:
Anzahl der Zylinderereignisse, die rückschauend bei der Bestimmung
der Differenzen der Pushback-Kraftstoffmasse berücksichtigt werden sollen.
Initialisierungswert
= 8 (gleich NUMCYL_0, allerdings kann auch ein anderer Wert basierend
auf Motortestresultaten verwendet werden. Beispielsweise kann auch
eine kleinerer Wert oder auch ein größerer Wert verwendet werden,
wobei ein Maximalwert bei einem Achtzylindermotor beispielsweise
12 sein kann).
-
Weiterhin
sind folgende RAM-Parameter vorgesehen:
ful_ivc: aktueller
Einlassventilschließwinkel
(in Grad).
eng_vol_ivc: Motorvolumen bei ful_ivc (in I).
mf_pb[12):
Pushback-Kraftstoffmasse bei jedem Zylinder Ereignis (in Ib.).
mf_pb_del[13]:
Differenzen der zurück
gedrückten
Kraftstoffmasse zwischen Zylinderereignissen (in Ib).
ful_pb_mul:
Multiplizierer für
die Pushback-Kraftstoffmasse.
eng_vol_rt: Pushback-Volumenverhältnis.
f_a_ave:
mittleres f_a_ratio (Kraftstoff/Luftverhältnis) zwischen zwei Bänken.
-
Nachfolgend
wird eine Zusammenfassung der Berechnungen im Rahmen des Algorithmus
und der hierzu verwendete Code dargestellt. Der Programmcode in
Abschnitt (1) wird mit einer Rate von 50 ms ausgeführt. Der
Programmcode in Abschnitt (2) wird mit derselben Rate ausgeführt, mit
der der variable Nockenwellenzeiteinstellungsrückkopplungsregler aktualisiert
wird bzw. eine Nockenwellenwinkelmessung stattfindet, beispielsweise
alle 16 ms. In Abschnitt (3) wird die PIP-Routinen-Kraftstoffberechnung
und in Abschnitt (4) die Vordergrund-Kraftstoffberechnung dargestellt.
-
In
Abschnitt (1) wird ein Kalibrierungswert für den Pushback-Multiplizierer
berechnet (ful_pb_mul), der eine Funktion der Motordrehzahl des
in Betrieb befindlichen Motors darstellt. Weiterhin wird in diesem
Abschnitt das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis der
beiden Zylinderreihen berechnet, vorausgesetzt, dass die Routine
bei einem zweireihigen Motor eingesetzt wird. Selbstverständlich kann
dessen ungeachtet auch ein Motor mit einer einzigen Zylinderreihe
oder mehr als zwei Zylinderreihen eingesetzt werden.
-
In
Abschnitt (2) wird ein Schätzwert
des Motorvolumens ermittelt, wodurch die Abweichungen bei der Einlassventilschließzeit berücksichtigt
werden. In diesem Abschnitt werden die abgeschätzten Regressionsdaten, die
in den
12A und
12B näher dargestellt sind, verwendet.
wobei
PB_CYL_EVENT das Pushback-Zylinder Ereignis ist.
-
In
Abschnitt (3) wird Zylinder für
Zylinder ein Schätzwert
für die
Menge des Pushback-Kraftstoffes ermittelt, der in den aktuellen
Zylinder angesaugt wird, basierend auf dem Pushback-Kraftstoff,
der in den Einlasskanal aus vorhergehenden Zylindern zurück gedrückt wurde.
Auf diese Weise kann eine Änderung
des Pushback-Kraftstoffs,
die durch eine Änderung
der Ventilzeiteinstellung verursacht wird, durch eine Anpassung
der Kraftstoffeinspritzung in den Motor kompensiert werden. Insbesondere
wird im Rahmen der Routine das geschätzte Zylindervolumen, das durchschnittliche
Luft/Kraftstoffverhältnis
und die Zylinderladungsmenge verwendet, um den Pushback-Kraftstoff
(mf_pb) abzuschätzen.
Anschließend
kann eine Differenz des Pushback-Kraftstoffs (mf_pb_del) bestimmt
werden.
in Abschnitt (
4)
wird abschließend
ein Algorithmus dargestellt, durch den der angeforderte einzuspritzende Kraftstoff
(mf_cyl) unter Berücksichtigung
des Pushback-Kraftstoffs (mf_pb_del), der Kraftstoffdynamik, der Wandbenetzung
im Einlasskrümmer
(mf_tfc) sowie des Kraftstoffspüldampfes
(pcomp_Ibm) angepasst wird. Sämtliche
dieser Größen werden
zusammen mit einer Schätzung
des Zylinderladungsschätzwertes (cyl_air_chg)
und einem modifizierten Kraftstoff/Luftverhältnis (f_a_ratio, welches das
Rückkopplungssignal der
Abgassauerstoffsensoren berücksichtigt)
zur Berechnung des einzuspritzenden Kraftstoffs herangezogen.
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Dabei
ist anzumerken, dass der vorstehende Algorithmus angepasst werden
kann, um verschiedenen anderen Faktoren Rechnung zu tragen. Beispielsweise
kann dieser während
eines Abschaltens (cut out) der Einspritzelemente deaktiviert werden,
um zu verhindern, dass aufgrund von Pushback-Effekten Kraftstoff
eingespritzt wird.
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In 13 wird die mit der Routine
gemäß 11B erreichte Luft/Kraftstoftanpassung
(af_equiv) anhand experimenteller Daten dargestellt. Insbesondere
ist ersichtlich, dass die Anpassungswerte mit dem Luft/Kraftstoffverhältnisabweichungen
(afr_r und afr_l) korrelieren, jedoch zu einem derartig frühen Zeitpunkt, dass
die Kraftstoffeinspritzung entsprechend kompensiert werden kann.
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In
den 14A und 14B sind die Ergebnisse gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung "vorher" und "nachher" dargestellt. Die
Graphen zeigen Variationen des Nockenwellenwinkels bei maximaler
Verschiebegeschwindigkeit (slew rate) zusammen mit den gemessenen
Luft/Kraftstoftabweichungen. In 14A ist
ein Betrieb ohne und in 14B ein
Betrieb mit Kompensation dargestellt. Die Ergebnisse mit Kompensation
weisen einen deutlich verminderten Luf/Kraftstoffverhältnisfehler
auf.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
wird die Pushback-Menge nicht proportional zum Betrag der Luftladung
angesetzt (wie vorstehend angenommen) sondern stattdessen wie folgt
bestimmt: Beispielsweise steigt die Menge des Pushback-Mediums insbesondere
mit abnehmender Luftladung und späterer Einlassventilschließzeit an.
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Eine
weitere Korrektur des vorstehend anhand der 11 bis 14 diskutierten
Ausführungsbeispiels wird
nachfolgend beispielhaft für
den Fall pushback_n_mul = 1 beschrieben (der bei geringen Motordrehzahl gilt),
wobei angenommen wird, dass der Druck im Zylinder während des
Teils des Kompressionshubs vor dem Schließen des Einlassventils näherungsweise
gleich MAP ist Dann kann air_chg geschrieben werden als: air_chg = (MAP/RT)·V_ivc·(1 – d – 1/AF_ratio), wobei d
einen Prozentanteil der Verdünnung
(dilution) im Zylinder angibt. Dabei kann es sich beispielsweise um
einen Residuum-Verdünnungs-Pronzentanteil
(residual dilution) oder um ein Verdünnungsverhältnis handeln. Unter Zugrundelegung
der obigen Annahmen und unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Pushback-Modells
kann der Betrag der zurück
gedrückten
Luft wie folgt dargestellt werden: pushback_chg_new
= (MAP/RT)·(V_max – V_ivc)·(1 – d – 1/AF_ratio)
= ((V_max – V_ivc)/V_ivc)·air_chg
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Dies
im Vergleich zu dem vorhergehenden Ausdruck: pushback_chg
= ((V_max – V_ivc)/V_max)·air_chg
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Es
ist anzumerken, dass pushback_chg_new gegenüber pushback_chg um einen Faktor V_max/V_ivc
größer ist.
Bei einem nominellen IVC von 60° ABDC
(after bottom dead center, nach dem unteren Totpunkt) ist dieses
Verhältnis
bei einem vorgegebenen Motor ungefähr gleich 1,3, bei einem anderen
Motor ist dieser Betrag 1,22. Noch wichtiger ist es, dass sich eine
Delta-Änderung
von V_ivc auf den Pushback-Wert mit (V_max/V_ivc)^2 auswirkt, was
1,8 (oder 1,5 in dem anderen Fall) entspricht, wenn die Deltas mit
etwa IVC = 60° bei
dem Beispielmotor gewählt
werden.
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D.h. delta pushback_chg_new/delta V_ivc = 1.8·(delta
pushback_chg/delta V_ivc).
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Auf
diese Weise kann eine zusätzliche
Genauigkeit erzielt werden.
