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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung, sowie
ein Steuergerät
und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.
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Benzin-Direkteinspritzung
und variable Ventiltriebe beim Ottomotor als Brennkraftmaschine
sind Stand der Technik. Diese bieten auch die Möglichkeit homogene motorische
Brennverfahren darzustellen. Zum einen sind fremdgezündete homogene
und geschichtete ottomotorische Brennverfahren mit Direkteinspritzung bei
variablen Ventiltrieben bekannt, zum anderen werden neue homogene
selbstzündende
Brennverfahren wegen ihres hohen Verbrauchs- und Emissionspotenzials
untersucht. Im Zusammenhang mit neuen selbstzündenden Brennverfahren spielt
die Steuerung/Regelung der Selbstzündung, sowie der Kennfeldbereich
in dem dieses Brennverfahren einsetzbar ist, eine entscheidende
Rolle.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschinen
wird Benzin direkt in den Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine
eingespritzt. Das in dem Brennraum komprimierte Benzin-Luft-Gemisch
wird anschließend
durch Zünden
eines Zündfunkens
in dem Brennraum entzündet.
Das Volumen des entzündeten
Benzin-Luft-Gemisches
dehnt sich explosionsartig aus und versetzt einen in dem Zylinder
hin- und herbewegbaren Kolben in Bewegung. Die Hin- und Herbewegung
des Kolbens wird auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen.
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Direkteinspritzende
Brennkraftmaschinen können
in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Als eine erste
Betriebsart ist ein sog. Schichtbetrieb bekannt, der insbesondere
bei kleineren Lasten verwendet wird. Als eine zweite Betriebsart
ist ein sog. Homogenbetrieb bekannt, der bei größeren an der Brennkraftmaschine
anliegenden Lasten zur Anwendung kommt. Die verschiedenen Betriebsarten
unterscheiden sich insbesondere in dem Einspritzzeitpunkt und der
Einspritzdauer sowie in dem Zündzeitpunkt.
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Beim
Betrieb einer Brennkraftmaschine im HCCI-Modus (Homogenous Charge
Compression Ignition), der manchmal auch als CAI (Controlled Auto
Ignition), ATAC (Active Thermo Atmosphere Com-bustion) oder TS (Toyota
Soken) bezeichnet wird, erfolgt die Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
nicht durch Fremdzündung,
sondern durch kontrollierte Selbstzündung. Der HCCI-Verbrennungsprozess
kann beispielsweise durch einen hohen Anteil an heißen Restgasen
und/oder durch eine hohe Verdichtung und/oder eine hohe Eintrittslufttemperatur
hervorgerufen werden. Voraussetzung für die Selbstzündung ist
ein ausreichend hohes Energieniveau im Zylinder. Im HCCI-Modus betreibbare
Brennkraftmaschinen, sind z.B. aus
US
6,260,520 ,
US 6,390,054 ,
DE 199 27 479 und WO 98/10179
bekannt.
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Die
HCCI-Verbrennung hat gegenüber
einer herkömmlichen
fremdgezündeten
Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und
geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Regelung des
Verbrennungsprozesses und insbesondere die Steuerung der Selbstzündung des
Gemisches komplex. So bedarf es einer Regelung von den Verbrennungsprozess
beeinflussenden Stellgrößen für z.B. die
Kraftstoffeinspritzung (Einspritzmenge bzw. Einspritzzeitpunkt und
-dauer), interne oder externe Abgasrückrückführung, Einlass- und Auslassventile
(variable Ventilsteuerung), Abgasgegendruck (Abgasklappe), ggf.
eine Zündunterstützung, Lufteintrittstemperatur,
Kraftstoffqualität
und Verdichtungsverhältnis
bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis.
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Offenbarung der Erfindung
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Neue
homogene ottomotorische Brennverfahren sind nur in einem begrenzten
Kennfeldbereich benutzbar und dies nur unter einem sehr gut definierten
thermodynamischen Zustand der Zylinderladung, insbesondere bei hohen
Temperaturen durch hohe Abgasrückführung bzw.
Abgasrückhaltung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kraftstoffverbrauch und
Emissionen weiter zu minimieren.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Übergang
eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung und variablem Ventiltrieb
von einer Ausgangsbetriebsart in eine Zielbetriebsart, wobei die
Ausgangsbetriebsart und die Zielbetriebsart entweder eine fremdgezündete Betriebsart
oder eine selbstzündende
Betriebsart sind, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte der
Anpassung der Betriebsparameter der Ausgangsbetriebsart an für die Zielbetriebsart
erforderliche Werte in einer Vorsteuerphase, eine Umschaltung der Betriebsart
nach der Vorsteuer phase sowie eine Regelung von Betriebsparametern
nach der Umschaltung umfasst. Die Ausgangsbetriebsart ist die Betriebsart,
also z.B. eine fremdgezündete
Betriebsart oder eine selbstzündende
Betriebsart, von der ausgehend in eine andere Betriebsart umgeschaltet
werden soll. In der Regel wird hier von einer fremdgezündeten auf
eine selbstzündende
Betriebsart oder umgekehrt umgeschaltet. Unter einer Vorsteuerphase
wird hier der Zeitraum über
ein oder mehrere Arbeitsspiele vor der eigentlichen Umschaltung
verstanden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei einem Übergang
von einer fremdgezündeten
Betriebsart in einer selbstzündende
Betriebsart eine zu hohe Temperatur in einem Brennraum der Brennkraftmaschine
kompensiert wird, in dem in den ersten Arbeitsspielen nach der Umschaltung
weniger Abgas zurückgehalten
bzw. zurückgeführt wird.
Diese Maßnahme
sorgt für
eine schnellere und stabilere Einnahme eines stationären Betriebes
nach der Umschaltung. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass während der Übergangsphase
eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um die Luftmenge
zu erhöhen
und dass die Restgasmenge während
der Übergangsphase
(deutlich) erhöht
wird. Während
also zunächst
durch eine Verringerung der Restgasmenge eine Temperaturerniedrigung
des Gases in dem Brennraum bewirkt wird, wird daraufhin die Frischluftmenge
erhöht,
was eine weitere Erniedrigung der Temperatur mit sich bringt, und
dabei oder anschließend
daran die Restgasmenge wieder erhöht, um ein für die Umschaltung
optimales Temperaturniveau zu erreichen. Dabei ist vorzugsweise
vorgesehen, dass mit der Umschaltung der Betriebsart eine Regelung eines
Ventiltriebes, eine Regelung einer Abgasrückführung, eine Regelung einer
Drosselklappe und eine Regelung einer Einspritzung einsetzt. Die
Regelung der Drosselklappe umfasst eine Regelung der Drosselklappenstellung,
mit der die Frischluftmasse verändert
wird, die Regelung der Einspritzung umfasst die Regelung von Einspritzmenge
und Einspritzzeitpunkt. Bei der Regelung der Abgasrückführung wird
insbesondere der Anteil an Restgas durch interne oder externe Abgasrückführung in
dem Gas im Brennraum während
des Verdichtungstaktes geregelt. Die Regelung des Ventiltriebes
umfasst insbesondere eine Regelung von Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt
von Ein- und Auslaßventilen.
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Vorzugsweise
ist weiter vorgesehen, dass bei einem Übergang von einer selbstzündenden
Betriebsart in eine fremdgezündete
Betriebsart während
der Vorsteuerungsphase und/oder Übergangsphase
der Restgasanteil im Zylinder vorzugsweise auf fremdzündungstypische
Werte (ca. 10%–35%)
minimiert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass während der
Vorsteuerungsphase die Drosselklappe geschlossen wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass mit der Umschaltung der Betriebsart eine Regelung
eines Ventiltriebes, eine Regelung einer Abgasrückführung, eine Regelung einer
Drosselklappe, eine Regelung einer Zündung und eine Regelung einer
Einspritzung einsetzt. Mit dem Zeitpunkt der Umschaltung wird die
Regelung für
die neue Betriebsart aktiviert, es wird also von einem Regelungsmodus
der Übergangsphase
auf einen Regelungsmodus der neuen Betriebsart umgeschaltet.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Regelungen nach dem Umschalten zyklussynchron
sind. Unter zyklussynchron wird hier insbesondere eine Regelung
verstanden, bei der zu regelnde Parameter jeweils für einen
einzelnen Zyklus (Arbeitstakt) auf jeweils arbeitstaktspezifisch
festgelegte Sollwerte geregelt werden.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät mit Mitteln
zur Steuerung eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung mit
variablem Ventiltrieb von einer Ausgangsbetriebsart in eine Zielbetriebsart,
wobei die Ausgangsbetriebsart und die Zielbetriebsart entweder eine
fremdgezündete
Betriebsart oder eine selbstzündende
Betriebsart sind, wobei das Steuergerät Mittel zur Anpassung der
Betriebsparameter der Ausgangsbetriebsart an für die Zielbetriebsart erforderliche
Werte in einer Vorsteuerungsphase, Mittel zur Umschaltung der Betriebsart
nach der Vorsteuerungsphase und Mittel zur Regelung der Betriebsparameter
nach der Umschaltung umfasst.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm
in einem Computer, insbesondere einem Steuergerät, ausgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
mit Kraftstoffversorgungssystem;
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2 ein
Diagramm Brennraumdruck über
dem Kurbelwellenwinkel;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
mit zugehörigen Komponenten
des Kraftstoffversorgungssystems. Beispielhaft dargestellt ist eine
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung (Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung
BDE) mit einem Kraftstofftank 11, an dem eine Elektrokraftstoffpumpe
(EKP) 12, ein Kraftstofffilter 13 und ein Niederdruckregler 14 angeordnet
sind. Vom Kraftstofftank 11 führt eine Kraftstoffleitung 15 zu
einer Hochdruckpumpe 16. An die Hochdruckpumpe 16 schließt sich
ein Speicherraum 17 an. Am Speicherraum 17 sind
Einspritzventile 18 angeordnet, die vorzugsweise direkt
Brennräumen 26 der
Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Bei Brennkraftmaschinen mit
Direkteinspritzung ist jedem Brennraum 26 wenigstens ein
Einspritzventil 18 zugeordnet, es können hier aber auch mehrere Einspritzventile 18 für jeden
Brennraum 26 vorgesehen sein. Der Kraftstoff wird durch
die Elektrokraftstoffpumpe 12 aus dem Kraftstofftank 11 über den
Kraftstofffilter 13 und die Kraftstoffleitung 15 zur
Hochdruckpumpe 16 gefördert.
Der Kraftstofffilter 13 hat die Aufgabe, Fremdpartikel
aus dem Kraftstoff zu entfernen. Mit Hilfe des Niederdruckreglers 14 wird
der Kraftstoffdruck in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems
auf einen vorbestimmten Wert, der meist in der Größenordnung
von etwa 4 bis 5 bar liegt, geregelt. Die Hochdruckpumpe 16,
die vorzugsweise direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben wird,
verdichtet den Kraftstoff und fördert
ihn den Speicherraum 17. Der Kraftstoffdruck erreicht hierbei
Werte von bis zu etwa 150 bar. In 1 ist beispielhaft
ein Brennraum 26 einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
dargestellt, im Allgemeinen weist die Brennkraftmaschine mehrere
Zylinder mit je einem Brennraum 26 auf. An dem Brennraum 26 ist
wenigstens ein Einspritzventil 18, wenigstens eine Zündkerze 24,
wenigstens ein Einlassventil 27, wenigstens ein Auslassventil 28 angeordnet.
Der Brennraum wird von einem Kolben 29, der in dem Zylinder auf-
und abgleiten kann, begrenzt. Über
das Einlassventil 27 wird Frischluft aus einem Ansaugtrakt 36 in
den Brennraum 26 angesaugt. Mit Hilfe des Einspritzventils 18 wird
der Kraftstoff direkt in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine
gespritzt. Mit der Zündkerze 24 wird
der Kraftstoff entzündet,
sofern fremdgezündeter
Betrieb vorliegt. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der
Kolben 29 angetrieben. Die Bewegung des Kolbens 29 wird über eine
Pleuelstange 37 auf eine Kurbelwelle 35 übertragen.
An der Kurbelwelle 35 ist eine Segmentscheibe 34 angeordnet,
die von einem Dreh zahlsensor 30 abgetastet wird. Der Drehzahlsensor 30 erzeugt
ein Signal, das die Drehbewegung der Kurbelwelle 35 charakterisiert.
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Die
bei der Verbrennung entstehenden Abgase gelangen über das
Auslassventil 28 aus dem Brennraum 26 zu einem
Abgasrohr 33, in dem ein Temperatursensor 31 und
eine Lambdasonde 32 angeordnet sind. Mit Hilfe des Temperatursensors 31 wird
die Temperatur und mit Hilfe der Lambdasonde 32 der Sauerstoffgehalt
der Abgase erfasst.
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Ein
Drucksensor 21 und ein Drucksteuerventil 19 sind
am Speicherraum 17 angeschlossen. Das Drucksteuerventil 19 ist
eingangsseitig mit dem Speicherraum 17 verbunden. Ausgangsseitig
führt eine
Rückflussleitung 20 zur
Kraftstoffleitung 15.
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Anstatt
einem Drucksteuerventil 19 kann auch ein Mengensteuerventil
in dem Kraftstoffversorgungssystem 10 zur Anwendung kommen.
Mit Hilfe des Drucksensors 21 wird der Istwert des Kraftstoffdrucks
im Speicherraum 17 erfasst und einem Steuergerät 25 zugeführt. Durch
das Steuergerät 25 wird
auf der Basis des erfassten Istwertes des Kraftstoffdrucks ein Ansteuersignal
gebildet, mit dem das Drucksteuerventil angesteuert wird. Die Einspritzventile 18 werden über nicht
dargestellte elektrische Endstufen angesteuert, die innerhalb oder
außerhalb
des Steuergerätes 25 angeordnet
sein können. Über Steuerungssignalleitungen 22 sind
die verschiedenen Aktuatoren und Sensoren mit dem Steuergerät 25 verbunden.
Im Steuergerät 25 sind verschiedene
Funktionen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschinen dienen, implementiert.
In modernen Steuergeräten
werden diese Funktionen auf einem Rechner programmiert und anschließend in
einem Speicher des Steuergerätes 25 abgelegt.
Die im Speicher abgelegten Funktionen werden in Abhängigkeit
der Anforderungen an die Brennkraftmaschine aktiviert, hierbei werden
insbesondere strenge Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit
des Steuergerätes 25 gestellt.
Prinzipiell ist eine reine Hardwarerealisierung der Steuerung der
Brennkraftmaschine alternativ zu einer Softwarerealisierung möglich.
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In
dem Ansaugtrakt 36 ist eine Drosselklappe 38 angeordnet,
deren Drehstellung über
eine Signalleitung 39 und einen zugehörigen, hier nicht dargestellten
elektrischen Aktuator durch das Steuergerät 25 einstellbar ist.
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An
dem Brennraum kann eine weitere Zündeinrichtung 40 angeordnet
sein. Es kann sich hier um eine weitere Zündkerze zusätzlich zur Zündkerze 24 oder
beispielsweise einen Laser oder dergleichen handeln. Mit der weiteren
Zündeinrichtung 40 oder
der Zündkerze 24 wird
die nachfolgend beschriebene Fremdzündung zur Herbeiführung der
Selbstzündung
ausgelöst.
Die weitere Zündeinrichtung 40 wird
durch das Steuergerät 25 gesteuert
und ist dazu elektrisch mit diesem verbunden.
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In
einer ersten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine,
wird die Drosselklappe 38 in Abhängigkeit von der erwünschten
zuzuführenden
Luftmasse teilweise geöffnet
bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 18 während einem
durch den Kolben 29 hervorgerufenen Ansaugtakt in den Brennraum 26 eingespritzt.
Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff
verwirbelt und damit im Brennraum 26 im Wesentlichen gleichmäßig/homogen
verteilt. Danach wird das Kraftstoffluftgemisch während des
Verdichtungstaktes, in dem durch den Kolben 29 das Volumen
des Brennraums 26 verringert wird, verdichtet, um dann
in der Regel kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes das Kolbens 29 von der
Zündkerze 24 entzündet zu
werden.
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In
einer zweiten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine,
wird die Drosselklappe 38 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird
von dem Einspritzventil 18 während des durch den Kolben 29 hervorgerufenen
Verdichtungstaktes in den Brennraum 26 eingespritzt. Sodann
wird wie zuvor mit Hilfe der Zündkerze 24 der
Kraftstoff entzündet,
so dass der Kolben 29 in der nun erfolgenden Arbeitsphase
durch die Ausdehnung des entzündeten
Kraftstoffs angetrieben wird. Eine weitere mögliche Betriebsart ist der
homogene Magerbetrieb, bei dem Kraftstoff wie im homogenen Betrieb
während
der Ansaugphase in den Brennraum 26 eingespritzt wird.
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2 zeigt
ein Diagramm des Brennraumdruckes in dem Brennraum 26 der
Brennkraftmaschine über dem
Kurbelwellenwinkel in grad Kurbelwelle (°KW). Über der Ordinate dargestellt
ist ein Kurbelwellenwinkel von –180° bis 540°, über der
Abszisse ist der Brennraumdruck in bar aufgetragen. Mit 0° ist hier
willkürlich
der Obere Totpunkt im Ladungswechsel L-OT gewählt. Der Ladungswechsel dient
in bekannter Weise dem Ausstoßen
verbrannter Abgase, dies findet hier zwischen –180° und 0° Kurbelwelle statt, und dem
Ansaugen frischer Umgebungsluft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches,
dies findet hier im Kurbelwellenwinkelbereich von 0–180° statt. Bei
dem in 2 dargestellten Druckverlauf und den Ventilhubverläufen handelt
es sich um typische Verläufe
für die
kontrollierte Selbstzündung.
Das Auslassventil schließt
weit vor dem L-OT, so dass ein hoher Restgasanteil im Brennraum
verbleibt, der während
des LW-Taktes verdichtet
wird. Das Einlassventil öffnet
erst, wenn wieder Druckgleichgewicht zwi schen Saugrohr und Brennraum
herrscht. Eine Kurbelwellenumdrehung weiter, bei 360° Kurbelwelle,
ist der Obere Totpunkt der Zündung
(Zündungs-OT)
erreicht. Zwischen 180° Kurbelwelle
in 2 und 360° Kurbelwellenwinkel
findet der Verdichtungstakt statt, zwischen 360° Kurbelwellenwinkel und 540° Kurbelwellenwinkel
findet die Expansion der verbrennenden Gase statt. Die einzelnen
Takte sind in 2 bezeichnet mit Ausstoßen AU von –180° bis 0°, Ansaugen
AN von 0° bis
180°, Verdichtungstakt
(Kompression) V von 180° bis
360° und
Expansion (Verbrennung) E von 360° bis
540°. Im
Verdichtungstakt wird das Luft- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder
Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verdichtet und dabei erhitzt. Das
Gemisch wird in der Regel kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs
gezündet.
Dies kann wie beim Ottomotor üblich
durch Fremdzündung
oder gemäß der erfindungsgemäßen Betriebsart
durch eine kontrollierte Selbstzündung
erfolgen. Die Zündung
des Gemisches führt
in bekannter Art und Weise zu einer Druckerhöhung, die im sich daran anschließenden Arbeitstakt
in mechanische Energie umgewandelt wird.
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In
der Betriebsart der kontrollierten Selbstzündung erfolgt die Einspritzung
bereits in dem Ladungswechseltakt und die Selbstzündung (siehe 2)
kurz vor Erreichen des Zündungs-OTs.
Dazu ist es erforderlich, dass das Gas-Luft-Kraftstoff-Abgas-Gemisch
eine ausreichende Zündtemperatur
aufweist.
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Eine
Zylinderabschaltung zu realisieren ist bei der kontrollierten Selbstzündung eines
Ottomotors sehr empfindlich da die thermodynamischen Bedingungen,
die für
die Selbstzündung
benötigt
werden, sehr genau eingestellt werden müssen. gegebenenfalls ist hier
die Hilfe einer Regelung, die eine Vorsteuerung korrigiert, nötig.
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Anhand
der Tabellen 1 und 2 werden Ausführungsbeispiele
von Umschaltstrategien zur Umschaltung von einer Ausgangsbetriebsart
in eine Zielbetriebsart erläutert.
Die Ausgangsbetriebsart kann eine fremdgezündete oder eine selbstzündende Betriebsart
sein, ebenso kann die Zielbetriebsart eine fremdgezündete oder eine
selbstzündende
Betriebsart sein.
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Beispiel: Übergang gedrosselte Fremdzündung zur
Selbstzündung
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Bei
einem fremdgezündeten
Betrieb wird eine höhere
Abgastemperatur bzw. Abgasenthalpie erzeugt als beim Selbstzündungsbetrieb.
Dies wird in dem Umschaltvorgang von Fremdzündung zur Selbstzündung berücksichtigt,
indem während
einer kurzen Übergangsphase,
zum Beispiel zwischen 5 und 10 Arbeitsspielen, zunächst weniger
Restgas zurückgehalten
bzw. zurückgeführt wird,
um die gewünschte
Temperatur bzw. Enthalpie des Gases in dem Zylinder für die Selbstzündung einzustellen.
Die für
die Selbstzündung
benötigte Restgasmenge
kann über
einen variablen Ventiltrieb (zum Beispiel umschaltbare Nockenwellen,
voll variabler Ventiltrieb oder andere variable Ventiltriebsysteme)
und/oder über
eine externe Abgasrückführung (AGR),
die konditioniert sein kann (das Gas wird also gekühlt oder
temperiert) zurückgeführt werden.
Während
der Übergangsphase
muss neben einer definierten Erhöhung
der Restgasmenge gleichzeitig die Drosselklappe
38 gesteuert
oder geregelt öffnen,
damit die benötigte
Luftmenge in den Zylinder gelangt. Damit sich der Übergang möglichst
drehmomentneutral ergibt, muss die Ladung (Einspritzmenge) sowie
der Einspritzzeitpunkt gezielt geregelt werden, um den gewünschten
Selbstzündzeitpunkt
zu erreichen. Die Last wird im Selbstzündungsbetrieb grundsätzlich über die
eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoffmasse eingestellt,
während
die Verbrennungslage (Zündzeitpunkt)
durch eine gezielt eingestellte Mischung zischen Restgas- und Frischluftmasse
und über
den Einspritzzeitpunkt geregelt wird. Der Umschaltvorgang wird zusammengefasst
anhand der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle
1: Umschaltung von Fremdzündung
gedrosselt zu Selbstzündung
ab Zyklus Z
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Z
bezeichnet dabei jeweils ein Arbeitsspiel, auch als Zyklus bezeichnet,
bei dem also ein Arbeitstakt, sprich eine Zündung eines zündfähigen Gemisches
durch Fremd- oder Selbstzündung,
erfolgt. Dabei werden die Arbeitstakte gezählt von der Umschaltung des
Ventiltriebes zum Arbeitstakt Z. Zuvor stattfindende Arbeitstakte
werden mit Z – 1,
Z – 2
usw. gezählt,
danach stattfindende Arbeitstakt mit Z + 1 bis Z + x. Nach der Umschaltung
des Ventiltriebes im Arbeitstakt Z setzt die zyklustreue Regelung
der Betriebsparameter, dies sind die Abgasregelung, die Stellung
der Drosselklappe sowie die Einspritzung, ein. Diese wird bis zum
Arbeitstakt Z + x, wobei x = 5 bis 10 Zyklen sein kann, beibehalten.
Nach dieser Übergangsphase
ist die Betriebsart zur Selbstzündung
erreicht, so dass in einen Regelungsmodus für die Betriebsart der Selbstzündung übergegangen
wird. Zwischen den Arbeitstakten (Zyklen) Z und Z + x findet also
eine Übergangsregelung
statt.
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Die
Regelung des Ventiltriebes, die Regelung der Abgasrückführung, die
Regelung der Drosselklappenstellung und die Regelung der Einspritzung,
damit ist sowohl eine Regelung der Einspritzmenge als auch des Einspritzzeitpunktes
gemeint, erfolgt zyklussynchron, wird also für jedes einzelne Arbeitsspiel
eines jeden Zylinders geregelt. Die Regelung erfolgt also nicht
dergestalt, dass die zu regelnden Werte über mehrere Arbeitsspiele möglichst
konstant gehalten werden, sondern werden von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel
soweit notwendig variiert. Die zyklussynchrone Regelung ist also
eine Regelung, die in die Betriebsparameter eines jeden Arbeitsspieles
eingreift und diese gegebenenfalls verändert.
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Beispiel: Übergang von Selbstzündung zur
gedrosselten Fremdzündung
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In
der Betriebsart der Selbstzündung
wird eine niedrigere Abgastemperatur erzeugt als im fremdgezündeten Betrieb.
Dies kann während
der Umschaltung zu höheren
Emissionen führen,
daher ist eine optimale Gemischbildung in dieser Phase notwendig.
Während
der Umschaltung wird über
den variablen Ventiltrieb und/oder über die externe Abgasrückführung der
Restgasanteil im Zylinder minimiert, um die fremdgezündete Verbrennung
stabil zu gestalten. Dabei wird gleichzeitig die Drosselklappe geregelt
geschlossen, damit nur die benötigte
Luftmenge in den Zylinder gelangt. Neben der Zylinderladung (Einspritzmenge
bzw. -masse) werden auch der Zünd-
und Einspritzzeitpunkt gezielt geregelt, um das gewünschte Drehmoment
zu erzeugen. Auch hier ist eine Kombination einer Vorsteuerung mit
einer zyklussynchronen Regelung wie beim zuvor erläuterten Beispiel
von Vorteil. Das Verfahren der Umschaltung wird anhand von Tabelle
2 erläutert. Tabelle
2: Umschaltung von Selbstzündung
zu Fremdzündung
gedrosselt ab Zyklus Z
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Beispiel: Umschaltung zwischen ungedrosselter
Fremdzündung
und Selbstzündung
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Beim Übergang
vom fremdgezündeten
ungedrosselten Betrieb zum Selbstzündungsbetrieb und zurück ist die
Regelungsstrategie ähnlich
der zuvor dargestellten Ausführungsbeispiele.
Aufgrund der Entdrosselung bei der ungedrosselten Fremdzündung entfällt eine
Regelung der Drosselklappe, zumindest weitgehenst, so dass der Umschaltvorgang
erleichtert wird. Eine Regelung von Einspritzung, Zündung und
interner bzw. externer Abgasrückführung ist
hier jedoch ebenfalls erforderlich.
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Beispiel: Übergang Selbstzündung 2-Taktbetrieb
zu Selbstzündung
4-Taktbetrieb und umgekehrt
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Der
2-Taktbetrieb eines Ottomotors erfordert einen voll variablen Ventiltrieb,
zum Beispiel elektrohydraulische oder elektromechanische Ventilsteuerung.
Dabei wird die Umschaltung ähnlich
der Umschaltung zwischen ungedrosselter Fremdzündung und Selbstzündung des
zuvor er läuterten
Ausführungsbeispiels
realisiert. Geregelt werden müssen
dabei nur noch der Ventiltrieb, die Abgasrückrückführung und die Einspritzung.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
am Beispiel des Überganges
von gedrosselter Fremdzündung
zur Selbstzündung.
Das Verfahren beginnt im gedrosselten Fremdzündungsbetrieb in Schritt 101.
In Schritt 102, dies entspricht dem Zyklus Z – 1 in Tabelle
1, findet weiterhin die Betriebsart der Selbstzündung statt. In Schritt 103,
dies entspricht Zyklus Z in Tabelle 1, wird in die Selbstzündung übergegangen,
es findet also eine Umschaltung des Ventiltriebes, eine Regelung der
Abgasrückführung, der
Drosselklappe sowie der Einspritzung statt. In Schritt 104,
dies entspricht dem Zyklus Z + 1 sowie den darauf folgenden Zyklen
in Tabelle 1, findet weiter wie in Schritt 103 eine zyklustreue
Regelung von Ventiltrieb, Abgasregelklappe, Drosselklappe und Einspritzung
statt. Das Verfahren endet in Schritt 105, dies entspricht
dem Zyklus Z + x in Tabelle 1.
