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Beim
sogenannten ottomotorischen CAI(= "Controlled Auto Ignition")-Motorbetriebsverfahren wird
ein mageres, homogenes Luft-Kraftstoffgemisch kontrolliert zur Selbstentzündung gebracht.
Dies wird dadurch initiiert, dass im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors
heißes
Restgas bzw. Abgas vom jeweilig vorausgehenden Verbrennungs- bzw.
Arbeitstakt zurückgehalten
und/oder durch interne und/oder externe Abgasrückführung zurückgeführt wird sowie der Druck und
die Temperatur im Brennraum des jeweiligen Zylinders während dessen
jeweilig nächsten
Kompressionstaktes/Verbrennungstaktes erhöht werden. Einzelheiten zum
CAI-Betriebsart-Verbrennungsverfahren für Ottomotoren sind insbesondere
z.B. im Beitrag „Regelungskonzepte
in Ottomotoren mit homogenkompressionsgezündeter Verbrennung, Dr. Hans-Otto
Herrman, Dr. Rüdiger
Herweg, Dr. Günter
Karl, Dipl.-Ing. Matthias Pfau, Dipl.-Ing. Mayk Stelter, DaimlerChrysler
AG, Stuttgart, Dipl.-Ing. Dietmar Ellmer, Siemens VDO, Regensburg,
Congress „Haus
der Technik" Controlled
Auto Ignition, 20.-21. Oktober 2005, Essen angegeben. Im
Unterschied zum konventionellen SI(= „spark ignited") oder Dieselverfahren
steht bei der ottomotorischen CAI-Motorbetriebsart über die
Zündung
bzw. die Kraftstoffeinspritzung kein Instrument bzw. Mittel zum
expliziten Auslösen
der Verbrennung zur Verfügung.
Beim ottomotorischen CAI-Betriebsart-Verbrennungsverfahren gehen
insbesondere neben der Ladungsbeschaffenheit der Luft-/Kraftstoffmenge,
die in den jeweiligen Zylinder geladen bzw. eingebracht worden ist,
die dortigen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse für den Beginn der Verbrennung
und den weiteren Verbrennungsverlauf mit ein, was die Beherrschung,
d.h. gezielte Kontrolle des Verbrennungsprozesses des Ottomotors
schwierig macht. Weiterhin ist der motortechnisch bedingte CAI-Betriebsart-Basisbereich
eines gegebenen Verbrennungsmotors in der Praxis unter manchen Gegebenheiten
zu eingeschränkt.
Z.B. können
beim jeweiligen Verbrennungsverlauf zu hohe, den Verbrennungsmotor
schädigende
Druckgradienten hohe Drehzahlbereiche des Ottomotors ausschließen oder kritisch
machen. Die für
die CAI-Motorbetriebsart notwendigen hohen Restgasraten im jeweiligen
Zylinder können
dessen Füllung
mit Luft/Kraftstoff für
den nächsten
Arbeitstakt ggf. zu sehr beschränken
und damit das bewirkbare Drehmoment an der Kurbelwelle des Ottomotors
in unerwünschter
Weise begrenzen. Weiterhin können
die Gefahr der verschleppten Verbrennung aufgrund zu niedriger Ladungstemperaturen
und der daraus resultierende, nach „spät" (bezogen auf den Beginn des jeweiligen Arbeitstakts
des jeweiligen Zylinders) verschobene Verbrennungsbeginn im Brennraum
des jeweiligen Zylinders den Drehzahlbetriebsbereich für das CAI-Betriebsart-Verfahren
nach unten hin begrenzen. Unter anderem durch diese beispielhaft
angeführten
Faktoren kann das Potential des ansonsten wirkungsgradstarken und
emissionsgünstigen CAI-Betriebsart-Brennverfahrens
für manche
Motorbetriebspunkte nur eingeschränkt oder gar nicht ausgeschöpft werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie
der Betriebsbereich der CAI-Betriebsart eines Ottomotors in einfacher
Weise erweitert und damit das Potential des CAI-Verbrennungsverfahrens
weiter ausgeschöpft
werden kann. Diese Aufgabe wird durch folgendes erfindungsgemäße Verfahren
gelöst:
Verfahren
zur Einstellung des CAI-Betriebsart-Bereichs eines Ottomotors, indem
die Zuführtemperatur des
Frischluftstroms, von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum des
jeweiligen Zylinders des Ottomotors geladen wird, vor dem Einlassen
in den Brennraum mittels einer Temperierungsvorrichtung im Luftansaugtrakt
des Ottomotors derart variiert wird, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt
des Ottomotors ein veränderter
CAI-Betriebsart-Bereich erzeugt wird, der hinsichtlich Drehzahl-
und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem
ursprünglich
gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich des Ottomotors innerhalb
eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs verschoben ist.
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Durch
dieses erfindungsgemäße Thermomanagement
des zugeführten
Frischluftstroms, von dem jeweils ein Anteil in den Brennraum des
jeweiligen Zylinders während
dessen Ansaugphase geladen wird, lässt sich der wirksam werdende
CAI-Betriebsart-Bereich hinsichtlich seiner Außengrenzen verändern. Insbesondere
lässt er
sich in Drehzahl- und/oder Drehmomentbereiche des Ottomotors verschieben,
die zuvor durch den ursprünglich
motortechnisch vorgegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich
des Ottomotors nicht oder nur unzureichend abgedeckt werden konnten.
Auf diese Weise lässt
sich für
einen aktuellen Motorbetriebspunkt des Ottomotors, der im ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereich eine Lage einnimmt, die als relativ
instabil hinsichtlich der CAI-Betriebsart
eingestuft wird und/oder mit der ein weniger günstiger Kraftstoffverbrauch
des Ottomotors einhergeht, durch Temperierung des anteilig zu ladenden
Frischluftstroms ein veränderter, insbesondere
verschobener CAI-Betriebsart-Bereich derart
in kontrollierter Weise erzeugen, dass ein stabilerer CAI-Betrieb
und/oder eine verbesserte Kraftstoffersparnis gegenüber dem
bisherigen, stationären
CAI-Betriebsart-Verfahren bewirkt ist, bei dem die Drehzahl-/Drehmomentgrenzen
des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereichs
durch die ottomotorischen Gegebenheiten fest vorgegeben sind. Mit
anderen Worten ausgedrückt
wird es durch die zusätzliche
Temperierung der jeweiligen Frischluftmenge, die in den jeweiligen
Zylinder für
dessen jeweiligen Arbeits- bzw.
Verbrennungstakt geladen wird, in Bezug auf den aktuellen Motorbetriebspunkt in
vorteilhafter Weise ermöglicht,
eine Relativverschiebung des vorgegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereichs über dessen
ursprüngliche
Drehzahl- und/oder
Drehmomentaußengrenzen
hinaus um einen bestimmten Prozentsatz bzw. Anteilsfaktor zu bewirken,
so dass sich insgesamt ein erweiterter CAI-Betriebsart-Bereich für den Ottomotor
ergibt.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Steuergerät für einen Ottomotor zum Einstellen
dessen CAI-Betriebsart-Bereichs, insbesondere nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
mit einem Regelungssystem eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers
zur Regelung einer Temperierungsvorrichtung, die im Luftansaugtrakt
des Ottomotors angeordnet ist, wobei das Regelungssystem derart
auf die Temperierungsvorrichtung einwirkt, dass die Zuführtemperatur des
Frischluftstroms, von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum des
jeweiligen Zylinders des Ottomotors geladen wird, vor dem Einlassen
in den Brennraum so variierbar ist, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt
des Ottomotors ein veränderter CAI-Betriebsart-Bereich
erzeugbar ist, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem
ursprünglich
gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich des Ottomotors innerhalb
eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs verschoben ist.
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Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindungen und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein Kennlinienfeld eines Ottomotors, dessen
ursprünglicher
CAI-Betriebsart-Bereich
nach einer möglichen Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
verschoben wird,
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2 in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Temperierungsvorrichtung zum
Aufwärmen
oder Abkühlen
eines Frischluftstroms, der in den jeweiligen Zylinder eines Ottomotors
für dessen
nächste
Verbrennungsphase geladen wird, um den ursprünglichen CAI-Betriebsart-Bereich des Ottomotors
in einen erweiterten CAI-Betriebsart-Bereich nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu verschieben,
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3 in
schematischer Darstellung ein Ablaufdiagramm der Steuer- und Regelungsschritte
im Steuergerät
eines Ottomotors wie z.B. von 2 zur erfindungsgemäßen Verschiebung
des CAI-Betriebsart-Bereichs
dieses Ottomotors mittels einer Temperierungsvorrichtung wie z.B.
von 2, und
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4 in
schematischer Übersichtsdarstellung
die Funktion- und Wirkungsweise eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers
als Teil eines Motorbetriebsartenmanagers im Steuergerät für einen
Ottomotor wie z.B. von 2.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 mit 4 jeweils
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung anhand eines Drehzahl-/Drehmoment-Diagramms einen
charakteristischen CAI-Betriebsart-Bereich CAI1,
der einem Otto-Verbrennungsmotor CE (siehe 2) ursprünglich im
Teillastbetrieb zu Eigen ist, unterhalb dessen Volllastkurve FL.
Entlang der Abszisse ist dabei die Drehzahl (= "engine speed") N der Kurbelwelle des Ottomotors CE
in Umdrehungen pro Minute (rpm="revolutions
per minute"), sowie
entlang der Ordinaten des Drehzahl-/Drehmoment-Diagramms das Drehmoment
TQ aufgetragen, das an der Kurbelwelle des Ottomotors CE für die jeweilige Drehzahl
N wirksam wird. Das Drehmoment TQ korrespondiert dabei mit einem
indizierten Mitteldruck Pmi in der Einheit bar im Brennraum des
jeweiligen Zylinders des Ottomotors. Der Ottomotor erlaubt aufgrund
seiner bautechnischen Gegebenheiten eine CAI-Verbrennungsbetriebsart
lediglich in einem eingeschränktem,
d.h. begrenzten Drehzahl-/Drehmomentbereich
CAI1 seines Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA (siehe 4).
Vorzugsweise liegt dieser bautechnisch bedingte CAI-Betriebsart-Bereich
etwa zwischen Drehzahlgrenzen von N = 1500 bis N = 4600 rpms sowie
zwischen Drehmomentgrenzen TQ, die im wesentlichen einem indizierten
Mitteldruck Pmi zwischen 1,5 bar und 6 bar entsprechen.
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Da
die Ladungstemperatur des jeweilig in dem Brennraum des jeweiligen
Zylinders eingebrachten Luft-/Ottokraftstoffgemisches
den Beginn und weiteren Verlauf der Verbrennung dieses Gemisches
beeinflusst und die Ladungstemperatur dieses Gemisches maßgeblich
von der Zuführtemperatur des
jeweiligen Frischluftstroms bestimmt wird, der in die Brennkammer
dieses Zylinders eingebracht wird, kann über die Zuführtemperatur dieses zugeführten Frischluftstroms
auf den Brennverlauf im jeweiligen Zylinder Einfluss genommen werden.
Der Brennverlauf wird dabei insbesondere durch den sogenannten Verbrennungsschwerpunkt
(MBR50) als beschreibende Größe charakterisiert.
Mit MBR50 ist der Flächenschwerpunkt
der Zylinderdruckverlaufskurve, über
dem Zylindervolumen bzw. Kurbelwellenwinkel gemeint.
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Indem
mittels einer Temperierungsvorrichtung die Zuführtemperatur des jeweiligen
Frischluftstroms geregelt, d.h. allgemein ausgedrückt variiert wird,
von dem jeweils ein Anteil in den Brennraum des jeweiligen Zylinders
für den
jeweiligen Verbrennungsvorgang geladen bzw. eingebracht wird, lässt sich
in vorteilhafter Weise der ursprüngliche
CAI-Betriebsart-Basisbereich
hinsichtlich seiner relativen Lage im Drehzahl-/Drehmoment-Diagramm
des Ottomotors um einen bestimmten Prozentsatz seiner Drehzahlgrenzen
und/oder Drehmomentgrenzen verschieben bzw. verlagern. Mit anderen
Worten ausgedrückt
ist eine Verschiebung der Drehzahlober- und Drehzahluntergrenze gegenüber der
Drehzahlberandung bzw. den Drehzahlaußengrenzen des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereichs
ermöglicht.
Die für
eine Zylinderfüllung
zu ladende Frischluftmenge wird mit Hilfe der Temperierungsvorrichtung
derart erwärmt
oder gekühlt,
dass die untere sowie obere Drehzahlgrenze und/oder untere sowie obere
Drehmomentgrenze des ursprünglich
vorliegenden CAI- Betriebsart-Basisbereichs
jeweils um einen bestimmten Anteil erhöht oder erniedrigt wird. Die
Gesamtheit aller verschobenen CAI-Betriebsart-Bereiche, die die
durch die zur Verfügung
stehende Temperierungsleistung der Temperierungsvorrichtung generiert
werden können
und jeweils einen CAI-Betrieb erlauben, decken einen erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereich
ab. Aufgrund der vorgegebenen, maximal möglichen Aufheizungsleistung
sowie der vorgegebenen, maximal möglichen Abkühlungsleistung der Temperierungsvorrichtung ist
also eine maximale Relativverschiebung bzw. Aufweitung des ursprünglich motortechnisch
gegebenen CAI-Basis-Betriebsart-Basisbereichs
CAI1 hinsichtlich Drehzahl N und Drehmoment TQ auf einen erweiterten,
maximal möglichen
CAI-Betriebsart-Abdeckungsbereich
ermöglicht.
Dieser ist in der 4 in der unteren Bildhälfte innerhalb
des Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA schematisch dargestellt und
mit ECAI bezeichnet. Der CAI-Basis-Betriebsart-Basisbereich CAI1
liegt dort innerhalb der Fläche
des erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs
ECAI.
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Die
Temperierung des jeweilig zur anteiligen Ladung bereitgestellten
Frischluftstroms wird zweckmäßigerweise
derart vorgenommen, dass der ursprünglich vorgegebene CAI-Betriebsart-Bereich CAI1
für den
aktuellen Motorbetriebspunkt OP1 des Ottomotors so innerhalb des
erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs
ECAI (siehe 4) verschoben wird, dass eine
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des Ottomotors gegenüber dem
ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereich
CAI1 bewirkt wird. In der 1 ist ein
derart verschobener CAI-Betriebsart-Bereich hinsichtlich seiner
Außengrenzen
beispielhaft strichpunktiert eingezeichnet und mit CAI2 bezeichnet.
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Im
einzelnen ermöglicht
eine Abkühlung
der Zuführtemperatur
des in den Brennraum des jeweiligen Zylinders anteilig eingebrachten
Frischluftstroms eine Verschiebung bzw. Anhebung des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereichs CAI1 zu höheren Drehzahlen N hin, was
in der 1 durch einen Verschiebepfeil V1 angedeutet ist.
Ohne Temperierungsmaßnahme
wäre ansonsten
die CAI-Betriebsart durch die obere Drehzahlgrenze Nup des eingeschränkten, ursprünglich vorgegebenen
CAI-Betriebsart-Basisbereichs CAI1 beschränkt. Denn bei Drehzahlen N über diese
Obergrenze Nup hinaus würde
der zeitliche Abstand von einer Verbrennung zur nächsten Verbrennung
im jeweiligen Zylinder des gegebenen Ottomotors so kurz, dass zu
wenig Zeit zur ausreichenden Abkühlung
des Brennraums des jeweiligen Zylinders verfügbar wäre, wodurch die Innenwände des
Brennraums des jeweiligen Zylinders zu heiß werden und beim jeweiligen
Verbrennungsprozess zylinderschädigende
Druckgradienten auftreten könnten.
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Durch
Abkühlung
der dem jeweiligen Zylinderbrennraum zugeführten Frischluftmenge lässt sich
der ursprüngliche
CAI-Betriebsart-Basisbereich CAI1
zu höheren
Drehmomenten TQ hin verschieben. Dies ist in der 1 durch
einen Verschiebepfeil V4 symbolisiert. Ohne Temperierungsmaßnahme wäre der CAI-Betrieb
ansonsten durch die obere Drehmomentgrenze TQup des gegebenen CAI-Betriebsart-Bereichs
CAI1 begrenzt. Denn bei Drehmomentanforderungen oberhalb dieser
Obergrenze TQup würde
zu viel Kraftstoff in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht
werden, so es dort bei dessen Verbrennung zu heiß für die CAI-Betriebsart werden
würde.
Zur Initiierung des jeweiligen CAI-Verbrennungsvorgangs sind im jeweiligen
Zylinder zurückgehaltene
und/oder zurückgeführte Restgase
bzw. Abgase gefordert. Die für
den CAI-Betrieb notwendigen hohen Restgasraten im Brennraum des jeweiligen
Zylinders begrenzen aber die Füllung
mit Frischluft und Kraftstoff für
den nächsten
Verbrennungsvorgang, wodurch der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsart-Basisbereich
CAI1 die obere Grenze TQup aufweist.
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Durch
Erhöhung
der Zuführtemperatur
der in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebrachten Luftmenge
wird eine Verschiebung des CAI-Betriebsbereichs CAI1 zu niedrigeren
Drehzahlen N hin ermöglicht,
was in der 1 durch einen Verschiebepfeil
V3 angedeutet ist. Ohne Temperierungsmaßnahme weist der ursprünglich gegebene
CAI-Betriebsart-Basisbereich CAI1 eine Drehzahluntergrenze Ndo auf.
Denn bei zu niedrigen Drehzahlen N würde die Ladungstemperatur der
eingebrachten Luftmenge aufgrund von Wandwärmeverlusten der Brennkammer
des jeweiligen Zylinders für
die gewünschte
Selbstzündung
des eingebrachten Kraftstoff-/Luftgemisches zu niedrig. Die Gefahr
sogenannter verschleppter Verbrennungen aufgrund zu niedriger Ladungstemperaturen
der in den jeweiligen Zylinder zugeführten Frischluft und daraus
resultierendem, zu spätem
Verbrennungsbeginn einer in den jeweiligen Zylinder eingebrachten
Luft-/Kraftstoffmenge begrenzt deshalb den gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich
CAI1 hinsichtlich der Drehzahl N nach unten hin.
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Nach
unten hin ergibt sich eine Begrenzung TQdo des Drehmoments TQ des
CAI-Verbrennungsprozesses, wenn zu wenig Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder
eingebracht wird und somit die Wärmeentwicklung
pro Ladungsvorgang nicht mehr für
eine Selbstzündung
ausreicht. Durch zusätzliche
Aufwärmung
der in den jeweiligen Zylinderbrennraum zugeführten Frischluftmenge lässt sich
die ursprüngliche Lage
des CAI-Betriebsart-Basisbereichs
CAI1 auch zu niedrigeren Drehmomenten TQ hin – als ursprünglich durch die Charakteristik
des Ottomotors festgelegt – verändern. In
der 1 ist dies durch einen Verschiebepfeil V2 gekennzeichnet.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
von 1 weist der Ottomotor z.B. einen aktuellen Motorbetriebspunkt
OP1 im Bereich der Motordrehmoment-Obergrenze TQup des ursprünglich vorgegebenen
CAI-Betriebsart-Bereichs CAI1 auf. Dies bedeutet, dass dort der
CAI-Verbrennungsbetrieb nur eingeschränkt, insbesondere instabil
wie z.B. mit ständigen
Wechseln zwischen der CAI-Betriebsart und der SI-Betriebsart, oder
gar nicht mehr durchgeführt
werden kann. Um dennoch auch in diesem Motorbetriebspunkt OP1 die
CAI-Motorbetriebsart einwandfrei, insbesondere weitgehend stabil,
zu ermöglichen,
wird der ursprüngliche
CAI-Betriebsart-Bereich CAI1 bezüglich
des aktuellen Motorbetriebspunkts OP1 mittels Temperierung der Zuführtemperatur
der zu ladenden Frischluftmenge möglichst so verschoben, insbesondere
angehoben, dass der aktuelle Motorbetriebspunkt OP1 im verschobenen CAI-Betriebsart-Bereich
CAI2 weiter in dessen Flächeninnerem
als beim ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereich CAI1 und damit nicht mehr am oberen
Drehmomentrand wie beim ursprünglichen CAI-Betriebsart-Bereich
CAI1 sitzt. Dadurch kann ihm eine Ladungstemperatur zugeordnet werden,
bei der ein geringerer Kraftstoffverbrauch des Ottomotors als bei
seiner Randlage an der Außengrenze
des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Bereichs
CAI1 bewirkt wird.
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Allgemein
ausgedrückt
wird mittels der Temperierungsvorrichtung die Frischluftmenge, die
dem Brennraum des jeweiligen Zylinders zugeführt wird, hinsichtlich ihrer
Temperatur zweckmäßigerweise derart
variiert, dass für
den aktuellen Motorbetriebpunkt ein modifizierter CAI-Betriebsart-Bereich
resultiert, bezüglich
dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentaußengrenzen der aktuelle Motorbetriebspunkt einen
möglichst
großen
Abstand aufweist.
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Hier
im Ausführungsbeispiel
von 1 wird die zugeführte Frischluftmenge zweckmäßigerweise soweit
abgekühlt,
dass der aktuelle Motorbetriebspunkt OP1 vorzugsweise im Mittenbereich
des verschobenen CAI-Betriebsbereichs CAI2 zu liegen kommt. Dies
kann bereits ausreichen, dass sich eine Kraftstoffersparnis im Vergleich
zur Randlage des Motorbetriebspunkts OP1 im Bereich der oberen Drehmomentgrenze
des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereichs
CAI bewirken lässt.
Verallgemeinert ist es also zweckmäßig, die Zuführtemperatur
der jeweilig angesaugten Frischluftmenge für den jeweiligen Zylinder des
Ottomotors so zu variieren, dass sich dem aktuellen Motorbetriebspunkt
wie z.B. OP1 ein möglichst
geringer, insbesondere minimaler, spezifischer Kraftstoffverbrauch
innerhalb der Begrenzungsfläche
des verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 zuordnen
lässt.
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In
der 2 ist im Luftansaugtrakt IS eines Ottomotors CE
eine beispielhafte Temperierungsvorrichtung TV zur Regelung der
Zuführtemperatur
TA eines Frischluftstroms AM2 vorgesehen, der im Ausgangsbereich
des Saugrohrs IM des Luftansaugtrakts IS den Zylindern des Ottomotors
CE zur anteiligen Ladung gemeinsam zur Verfügung gestellt wird. Hier im
Ausführungsbeispiel
von 2 ist der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber lediglich
der erste Zylinder CY1 des Ottomotors CE dargestellt. Der Ottomotor
CE ist dabei vorzugsweise als 4-Zylindermotor ausgebildet. Vom temperierten
Frischluftstrom AM2 wird ein Anteil bzw. eine Teilmenge beispielsweise.
dem Brennraum CC1 dieses ersten Zylinders CY1 während der jeweiligen Ansaugphase
dessen Verbrennungszyklus zugeführt.
Der zeichnerischen Einfachheit halber sind in der 2 die übrigen Zylinder
des Ottomotors CE weggelassen worden. Sie werden in analoger Weise
mit Anteilen bzw. Teilmengen des temperierten Frischluftstroms AM2
versorgt. Die Temperierungsvorrichtung TV umfasst eine Aufheizung-/Abkühlungseinheit
HE. Diese ist insbesondere als Wärmetauscher
ausgebildet. Sie kann vorzugsweise durch einen beim Ottomotor sowieso
bereits vorhandenen Luft-Kühlmittel-
oder Luft-Motorölwärmetauscher
gebildet sein. Die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE sitzt in einer „Bypass" bzw. Abzweig-Leitung
BP, die einen Teilstrom AM12 eines untemperierten Frischluftstroms
AM1 abzweigt, der über
ein eingangsseitiges Luftfilter AF in das Saugrohr IM des Luftansaugtraktes
IS eingesaugt wird. Der Frischluftstrom AM1 hat insbesondere etwa
Umgebungstemperatur. Im Saugrohr IM wird nach dem Abzweig der Bypass-Leitung
BP ein Anteil AM11 des angesaugten Frischluftstroms AM1 untemperiert
weitergeführt.
Der über
die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit
AE geführte,
abgezweigte Teilstrom AM12 wird zur Verschiebung des ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI1 in gewünschter Weise temperiert und
als temperierter Frischluftstromanteil AM13 wieder dem untemperierten
Frischluftstromanteil AM11 mittels einer Mischklappe MV zugeführt. Die
Mischklappe MV sitzt dabei im Austrittsbereich der Bypassleitung
BP am Zusammenführort
mit dem Saugrohr IM. Durch die Mischklappe MV lässt sich der temperierte Frischluftstromanteil
AM13 sowie der untemperierte Frischluftstromanteil AM11 miteinander
zum temperierten Gesamtfrischluftstrom AM2 vermischen, von dem jeweils
ein Anteil über
ein Einlassventil IV der Brennkammer CC1 des Zylinders CY1 im jeweiligen
Ansaugtakt dessen Verbrennungszyklus zugeführt wird. Nach dem dem Kompressionstakt
nachfolgenden Verbrennungstakt dieses Zylinders CY1 wird das verbrannte
Luft-/Abgasgemisch im Austoßtakt
bis auf eine für
die CAI-Betriebart geforderte Restgasmenge über ein Auslassventil EV ausgestoßen.
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Die
Temperierungsvorrichtung TV wird mittels eines Steuergeräts ECU,
insbesondere eines Motorsteuergeräts, temperaturgeregelt. Dazu
kontrolliert das Steuergerät
ECU im Einzelnen die Heiz-/Kühlleistung
der Aufheizungs-/Abkühlungseinheit
HE. Dies ist in der 2 durch einen Wirkpfeil CA1
angedeutet. Weiterhin steuert es die Stellung Δα der Mischklappe MV, was in
der 2 durch einen Wirkpfeil CA2 symbolisiert ist.
Das Steuergerät
ECU kann schließlich
durch Veränderungen
der Stellung der Drosselklappe TH im Eingangsbereich des Saugrohrs
IM die insgesamt eingesaugte Menge des untemperierten Frischluftstroms
AM1 beeinflussen, was durch einen Wirkpfeil CA3 veranschaulicht
wird. Zur Temperaturregelung des Frischluftstroms AM2, der (in Strömungsrichtung)
hinter der „Bypass"-Leitung BP betrachtet
zur anteiligen Ladung in den jeweiligen Zylinder bereitgestellt
wird, erhält
das Steuergerät ECU
Messsignale MS1 eines Temperatursensors TS1 im Eingangsbereich des
Saugrohrs IM über
eine Messleitung ML1. Diese Messsignale MS1 sind repräsentativ
für die
aktuelle Ansauglufttemperatur TIA, insbesondere für die Umgebungstemperatur
im Bereich des Luftansaugtrakts IS, die der eingangsseitig angesaugte,
noch untemperierte Frischluftstrom AM1 aufweist. Weiterhin werden
Messsignale MS2 über
eine Messleitung ML2 an das Steuergerät ECU von einem zweiten Temperatursensor
TS2 geliefert, der hinter der Mischklappe MV im Saugrohr IM vor
den Zylindern wie z.B. CY1 sitzt. Dieser zweite Temperatursensor
TS2 ermittelt die aktuelle Zuführtemperatur
TA des temperierten Gesamtfrischluftstroms AM2, von dem ein Anteil
letztlich durch das Einlassventil wie z.B. IV in den Brennraum wie
z.B. CC1 des jeweiligen Zylinders wie z.B. CY1 während dessen jeweiliger Ansaugphase
eingesaugt wird. Die Messsignale MS2 sind repräsentativ für die gemessene, aktuelle Zuführtemperatur
TA der zur Ladung bereitgestellten Frischluftmenge des temperierten Frischluftstroms
AM2 nach Einwirken der Temperierungsvorrichtung TV auf den ursprünglich in
das Saugrohr IM eingesaugten Frischluftstrom AM1.
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Alternativ
zum Ausführungsbeispiel
von 2, bei dem der Frischluftstromanteil bzw. Teilstrom
AM12 mittels der „Bypass"-Leitung BP über eine
Aufheizungs-/Abkühlungseinheit
HE, insbesondere über
einen Wärmetauscher,
geleitet und dann wieder mit dem untemperiert gebliebenen Frischluftreststrom
AM11 im Saugrohr IM mittels der Mischklappe MV zusammengeführt wird,
kann es ggf. auch zweckmäßig sein,
die „Bypass"-Leitung BP und die Mischklappe
MV wegzulassen und die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE im oder am
Saugrohr IM selbst anzuordnen und somit den gesamten, eingangsseitig
angesaugten Frischluftstrom AM1 direkt bzw. unmittelbar zu temperieren.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 2 bestimmt sich die Mischungstemperatur TA des
Frischluftstroms AM2, von dem ein Anteil zur Ladung in die Brennkammer
CC1 zur Verfügung
gestellt wird, insbesondere aus der Anfangstemperatur TIA des eingangsseitig
angesaugten Frischluftstroms AM1 im Eingangsbereich des Saugrohrs
IM, dem über
die Aufheizung-/Abkühlungseinheit
HE geleiteten Frischluftstromanteil AM12, dem temperierten, zur
anteiligen Ladung bereitgestellten Gesamtfrischluftmassenstrom AM2,
der Temperatur der Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE, sowie den
wärmeübergangstechnischen
Gegebenheiten der Temperierungsvorrichtung TV, wie zum Beispiel
dem Wärmeübergangs-Wirkungsgrad
der Aufheizungs-/Kühleinheit HE.
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Zusammenfassend
betrachtet wird die Zuführtemperatur
TA des zur Ladung in den Brennraum wie z.B. CC1 des jeweiligen Zylinders
wie z.B. CY1 temperiert bereitgestellten Frischluftmassenstroms AM2
in vorteilhafter Weise derart variiert, insbesondere eingeregelt,
dass sich für
den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 des Ottomotors CE
ein CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 einstellt, bei dem ein
möglichst
geringer spezifischer Kraftstoffverbrauch bewirkt wird. Die Einregelung
einer solchen Zuführtemperatur
TA wird vorzugsweise mit Hilfe des Regelungssystems CS eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers
OM durchgeführt.
Dieser ist insbesondere Bestandteil eines Motorbetriebsartenmanagers
OMT im Steuergerät
ECU. Der Motorbetriebsartenmanager OMT hat dabei die Funktion, die
Auswahl zwischen der SI-Betriebsart oder einer sonstigen Motorbetriebsart
des Ottomotors und der CAI-Betriebsart zu wählen. Gegebenenfalls kann der CAI-Betriebsart-Bereichsmanager
OM auch als eine eigenständige
Komponente oder Baugruppe unabhängig
vom Motorbetriebsartenmanager OMT des Steuergeräts ECU implementiert sein.
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Die 3 zeigt
in schematischer Darstellung anhand eines Flussdiagramms FC das
Funktionsprinzip des Motorbetriebsartenmanagers OMT und des Regelungssystems
CS des CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers OM. Die Funktionen der Steuer- oder
Regelungskomponenten des Motorbetriebsartenmanagers OMT und CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers
OM sind im folgenden in den 3 und 4 durch
Funktionsblöcke
gekennzeichnet. Im Steuergerät
ECU werden von den Steuer- und Regelungskomponenten des Motorbetriebsartenmanagers OMT
und CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers
OM im Einzelnen insbesondere folgende Steuerungs- und Regelungsschritte
durchgeführt:
Der
Motorbetriebsartenmanager OMT kontrolliert fortlaufend mittels seiner
Kontrolleinheit S1, ob für den
aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 eine CAI-Motorbetriebsart
bei der aktuell vorliegenden Zuführtemperatur
TA des zur anteiligen Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2 überhaupt
möglich ist.
Der aktuelle Motorbetriebspunkt wird dabei insbesondere primär durch
die aktuelle Drehzahl N der Kurbelwelle des Ottomotors CE sowie
durch das jeweilig an der Kurbelwelle bewirkte, mechanische Drehmoment
TQ festgelegt. Zusätzlich
gehen in die Festlegung des Motorbetriebspunkts ggf. auch noch das
jeweilig indizierte Motordrehmoment TQI des jeweiligen Zylinders,
die Temperatur TCO des Kühlmittels
im Kühlkreislauf
des Ottomotors, die Ansaugtemperatur TIA des Luftmassenstroms AM1,
der eingangsseitig in das Saugrohr IM eingesaugt wird, und/oder
weitere Motorkenngrößen mit
ein. Derartige aktuelle Motorbetriebsparameter N, TQI, TQ, TCO, TIA,
... usw. sowie die ermittelte aktuelle Zuführtemperatur TA werden dem
Betriebsartenmanager OMT im Funktionsblock S2 zur Auswertung bereitgestellt. Den
Drehzahl-/Drehmomentwertepaaren
innerhalb des erweiterten CAI-Betriebsart-Abdeckungsbereichs
ECAI sind eine untere, minimale CAI-Temperaturgrenze TCmin und eine
obere, maximale CAI-Temperaturgrenze TCmax zugeordnet. Zwischen
der unteren, minimalen CAI-Temperaturgrenze TCmin und der oberen,
maximalen CAI-Temperaturgrenze TCmax liegen also diejenigen erlaubten Zuführtemperaturen
der jeweilig zu ladenden Frischluftmenge, die Drehzahl-/Drehmomentwertepaaren innerhalb
des erweiterten, d.h. maximal möglichen CAI-Betriebsart-Bereichs
ECAI zugeordnet werden können.
Diese CAI-Temperaturgrenzen TCmin, TCmax sind für ein oder mehrere verschiedene
erweiterte CAI-Motorbetriebsart-Maximalbereiche vorzugsweise in
ein oder mehreren Kennfeldern für
verschiedene Motorbetriebspunkte im Motorbetriebsartenmanager OMT
abgelegt.
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Liegt
die aktuelle Zuführtemperatur
TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2 zwischen
dieser oberen CAI-Temperaturgrenze TCmax und der unteren, minimalen
CAI-Temperaturgrenze
TCmin des erweiterten CAI-Betriebsart-Bereichs CAI1, was im Funktionsblock
S3 von 3 überprüft wird,
so wird im Funktionsblock S4 durch den Betriebsartenmanager OMT
entschieden, dass ein CAI-Motorbetrieb
aufgrund der aktuellen Gastemperatur des zur Ladung bereitstehenden
Frischluftmassenstroms AM2 möglich
ist. Liegt hingegen die aktuelle Temperatur TA des zur zylinderanteiligen
Ladung bereitstehenden Frischluftmassenstroms AM2 außerhalb
der Temperaturgrenzen TCmax, TCmin des erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs ECAI,
so entscheidet der Betriebsartenmanager OMT im Funktionsblock S5,
dass der CAI-Motorbetrieb verboten oder verlassen wird. Er wechselt
daraufhin die Betriebsart des Ottomotors wie z.B. in den SI-Motorbetrieb
oder den sogenannten „stratified"-Motorbetrieb, d.h.
Schichtladebetrieb.
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Die
aktuelle Temperatur TA des zur zylinderanteiligen Ladung bereitstehenden,
temperierten Frischluftmassenstroms AM2 lässt sich vorzugsweise mit Hilfe
des Temperatursensors TS2 (siehe 2) ermitteln.
Alternativ dazu ist es auch möglich, über ein
Temperaturmodell, das die Einlasstemperatur TIA des angesaugten
Frischluftmassenstroms AM1, die mittels eines Luftmassensensors
gemessene Luftmasse des in das Saugrohr IM eingangsseitig angesaugten
Luftmassenstroms AM1, und die Aufwärmungs-/Kühlleistung der Aufwärmungs-/Kühleinheit
HE als Eingangsparameter nutzt bzw. einbezieht, die aktuelle Temperatur
TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftmassenstroms AM2 zu
ermitteln. In der 2 ist im Eingangsbereich des
Saugrohrs IM beispielhaft ein Luftmassensensor AMS strichpunktiert
eingezeichnet. Dieser übermittelt Messsignale
für die
jeweilig gemessene Luftmasse über
eine Messleitung ML3 an das Steuergerät ECU. Die Messleitung ML3
ist in der 2 ebenfalls strichpunktiert
angedeutet.
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Hat
der Motorbetriebsartenmanager OMT festgestellt, dass eine CAI-Motorbetriebsart
für den aktuellen
Motorbetriebspunkt möglich
ist, wird im Funktionsblock S6 vom CAI-Betriebsart-Bereichsmanager OM überprüft, ob der
CAI-Modus schon aktiv ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird in
den CAI-Motorbetrieb
gewechselt.
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Im
Funktionsblock S10 wird die maximale Kühl-/Heizleistung der Aufwärmungs-/Abkühlungseinheit
HE, insbesondere des Wärmetauschers,
ermittelt. Dabei werden Kenngrößen bzw.
Faktoren, die in die Aufwärmungs-/Kühlungswirkung
der Temperierungsvorrichtung TV eingehen, mittels des Funktionsblocks
S9 berücksichtigt.
Dies können
beispielsweise die in das Saugrohr IM angesaugte Luftmasse MAF,
die Ansaugtemperatur TIA des eingangsseitig angesaugten Luftmassenstroms
AM1, die Kühlmitteltemperatur
TCO im Kühlkreislauf
des Ottomotors CE, der Stellwinkel Δα der Mischklappe, usw. ... sein.
Mittels des Funktionsblocks S8 wird der aktuelle Motorbetriebspunkt
wie z.B. OP1 durch Auswertung verschiedener Motorbetriebsparameter
bestimmt. Diese können
beispielsweise die aktuelle Drehzahl N der Kurbelwelle des Ottomotors
CE, das jeweilig an der Kurbelwelle bewirkte, mechanische Drehmoment TQ,
das jeweilig indizierte Motordrehmoment TQI im jeweiligen Zylinder,
das durch Verbrennung einer bestimmten zugemessenen Kraftstoff/Luftmenge
bewirkt wird, die Temperatur TCO des Kühlmittels im Kühlkreislauf
des Ottomotors, die Ansaugtemperatur TIA des Luftmassenstroms, der
in das Saugrohr IM eingesaugt wird, die aktuell vorliegende Zuführtemperatur
TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2, und/oder
weitere Motorkenngrößen sein.
Für den
jeweiligen, aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 wird im Funktionsblock
S11 berechnet, welche maximale Temperatur TRmax und welche minimale
Temperatur TRmin sich aufgrund der maximalen Heiz-/Kühlleistung
der Aufwärmungs-/Abkühlungseinheit
HE ausgehend von der jeweiligen, momentan vorliegenden Zuführtemperatur
TA des zur Ladung bereitgestellten Luftmassenstroms AM2 überhaupt
einstellen lässt.
Die maximale Aufheizungsleistung legt also eine obere Temperaturgrenze
TRmax und die maximale Kühlleistung eine
untere Temperaturgrenze TRmin fest, um die die aktuelle Temperatur
TA des zu ladenden Frischluftstroms AM2 maximal erhöht oder
maximal erniedrigt werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt wird durch
die obere Temperaturgrenze TRmax und die untere Temperaturgrenze
TRmin der maximal mögliche
Aktionsbereich der Temperierung definiert. Im Funktionsblock S11
wird die maximale Absenkungstemperatur TRmin und die maximale Anhebungstemperatur
TRmax bestimmt, um die der zylinderanteilig zu ladende Frischluftmassenstrom
AM2 bei gegebener maximaler Kühl-
oder Heizleistung der Aufwärmungs-/Kühleinheit
HE für
den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 bei der vorliegenden
Zuführtemperatur
TA abkühlbar
oder aufheizbar ist. Die maximale Aufheizungsleistung der Temperierungsvorrichtung
TV legt also eine obere Temperaturgrenze TRmax und die maximale
Kühlleistung
eine untere Temperaturgrenze TRmin fest, um die die aktuelle Temperatur
TA des zu ladenden Anteils des Frischluftstroms AM2 maximal erhöht oder
maximal erniedrigt werden kann.
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In
einer Überprüfungsstufe
S7 wird mit höchstem
Vorrang bzw. höchster
Priorität
Priol – insbesondere
mit Hilfe von abgespeicherten Kennfeldern – diejenige Zuführtemperatur
TVO als Funktion f des aktuellen Motorbetriebspunkts wie z.B. OP1
ermittelt, die zu einem Kraftstoffverbrauchsoptimum, d.h. zu einem
Kraftstoffverbrauchsminimum, absolut betrachtet bezogen auf den
Gesamtmotorbetriebsbereich EOA führt.
Mittels des Funktionsblocks S12 des Regelungssystems CS wird dann überprüft, ob für den jeweilig
vorliegenden Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 auf eine Soll-Zuführtemperatur
TS=TVO eingeregelt werden kann, die für den aktuellen Motorbetriebspunkt
innerhalb des Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA (siehe 4)
absolut betrachtet verbrauchsoptimal ist. Dazu wird im Funktionsblock
S12 kontrolliert, ob für
den aktuellen Motorbetriebspunkt diese verbrauchsoptimale Soll-Zuführtemperatur TVO überhaupt
mit Hilfe der zur Verfügung
stehenden Heiz-/Kühlleistung
der Temperierungsvorrichtung TV, insbesondere deren Aufwärmungs-/Kühleinheit
HE, ausgehend von der jeweils aktuell vorliegenden Zuführtemperatur
TA des zur anteiligen Ladung bereitstehenden Frischluftmassenstroms
AM2 bei den momentan vorliegenden Temperierungsverhältnissen
im Luftansaugtrakt IS des Ottomotors CE für den aktuellen CAI-Betriebsart-Bereich
wie z.B. CAI1 oder CAI2 einstellbar ist. Dabei wird im Funktionsblock
S12 analysiert, ob die verbrauchsoptimale Temperatur TVO innerhalb
der Temperaturgrenzen TVmin, TVmax für den aktuell vorliegenden
CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI1 oder CAI2 des Ottomotors liegt,
die dessen Drehzahl-/Drehmomentwertepaaren zugeordnet sind. Ist
dies der Fall, so wird die verbrauchsoptimale Temperatur TVO im
Funktionsblock S17 als Soll-Zuführtemperatur
TS=TVO herangezogen, auf die das Regelungssystem CS unter Bildung
einer Regelabweichungsgröße ΔT einregelt. Diese
wird mittels einer logischen Subtrahiereinheit S18 aus der Differenz
zwischen der aktuellen Zuführtemperatur
TA des zur anteiligen Ladung bereitstehenden Frischluftstroms AM2
und der jeweilig ermittelten Soll-Zuführtemperatur PS für den jeweiligen CAI-Betriebsart-Bereich
im Funktionsblock S19 gebildet. Allgemein betrachtet wird also durch
das Regelungssystem CS eine Soll-Temperaturdifferenz ΔT nach der
mathematischen Beziehung ΔT
= TA – TS ermittelt
und im Funktionsblock S19 als Regelabweichungsgröße der Temperierungsvorrichtung
TV zur Verfügung
gestellt, um durch Erwärmung
oder Abkühlung
die aktuelle Zuführtemperatur
TA des zur Ladung bereitstehenden Frischluftstroms AM2 auf die gewünschte Soll-Zuführtemperatur
TS einzuregeln. Hier im Ausführungsbeispiel
wird aufgrund der Soll-Temperaturdifferenz ΔT die Mischklappe MV (siehe 2)
derart verstellt, d.h. deren Stellwinkel Δα derart verändert, dass die Zuführtemperatur
TA des zu ladenden Frischluftstroms AM2 im wesentlichen auf die
jeweilig gewünschte
Soll-Zuführtemperatur
PS gebracht wird.
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Ist
die (bezogen auf den Gesamtmotorbetriebsbereich EOA) absolut verbrauchsoptimale
Temperatur TVO für
den aktuell vorliegenden Motorbetriebspunkt und den aktuell gegebenen
Temperierungsverhältnissen
des Luftansaugtrakts IS nicht einstellbar, so wird mit sekundärer Priorität Prio2
im Funktionsblock S13 diejenige Zuführtemperatur TA=TVR ermittelt,
die für
den aktuell vorliegenden CAI-Betriebsbereich
wie z.B. CAI1 bezogen auf dessen zugeordnete Temperaturgrenzen TVmin,
TVmax ein relatives, lokales Verbrauchsminimum ermöglicht.
Dazu wird mit Hilfe des CAI-Betriebsart-Managers
OM analysiert, welcher maximale CAI-Aktionsbereich der Temperierung mit
Hilfe der aktuell verfügbaren
Heiz-/Abkühlungsleistung
der Aufwärmungs-/Abkühlungseinheit
HE für
den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 und der vorliegenden Zuführtemperatur
TA sowie den sonstigen Temperierungsverhältnissen im Luftansaugtrakt
möglich,
d.h. bewirkbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass eingegrenzt wird,
welcher verschobene CAI-Betriebsart-Bereich
wie z.B. CAI2 sich aufgrund der aktuell verfügbaren Temperaturanhebung und -absenkung
für den
aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 einstellen lässt. Der
Motordrehzahl/Drehmomentfläche,
die vom jeweilig bewirkbaren CAI-Aktionsbereich wie z.B. CAI2 abgedeckt
wird, ist z.B. aufgrund abgespeicherter Kennfelder die untere CAI-Betriebsart-Bereichs-Temperaturgrenze
TVmin sowie die obere CAI-Betriebsart-Bereichs-Temperaturgrenze
TVmax zuordenbar. Diese legen in eindeutiger Weise fest, in welchem
Temperaturbereich die Zuführtemperatur
TA einzustellen ist, um einen CAI-Betriebsmodus für den aktuellen
Motorbetriebspunkt zu ermöglichen.
Die Temperaturgrenzen TVmin, TVmax des jeweiligen, ursprünglich motortechnisch
vorgegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereichs wie z.B. CAI1 oder verschobenen
bzw. veränderten CAI-Betriebsart-Bereichs
wie z.B. CAI2 werden im Funktionsblock S13 mit bestimmt. Im Funktionsblock S13
findet das Regelungssystem CS also heraus, welche minimale und maximale
Zuführtemperatur TVmin,
TVmax den Drehzahl-/Drehmomentpaaren N/TQ innerhalb des ursprünglich gegebenen
CAI-Betriebsart-Bereichs CAI1 oder des jeweilig verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs
wie z.B. CAI2 zuordenbar sind. Diese bilden eine untere und eine
obere relative Temperaturgrenze TVmin, TRmax bezogen auf den jeweilig
vorliegenden CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI1 oder CAI2. Aus
dem Bereich zwischen dieser unteren und oberen Temperaturgrenze
TVmin, TVmax wird dann diejenige Temperatur TVR eruiert, bei der
sich bezogen auf den vorliegenden CAI-Motorbetriebspunkt ein relatives Kraftstoffverbrauchsminimum
ergibt.
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Entsprechend
dem zweiten Ablaufpfad mit der niedrigeren Priorität Prio2
wird vom Regelungssystem CS im Funktionsblock S17 die neue Soll-Zuführtemperatur
TS auf diese Temperatur TVR mit dem relativen, lokalen Verbrauchsminimum
für den aktuell
ermöglichten
CAI-Betriebsart-Bereich gesetzt. Es gilt jetzt also TS=TVR. Auf
diese neue Soll-Zuführtemperatur
TS=TVR wird mittels der Schritte der Funktionsblöcke S18, S19, S20 die Temperatur
des zu ladenden Frischluftstroms AM2 durch die Temperierungsvorrichtung
TV entsprechend der zuvor erläuterten
Weise eingeregelt.
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Allgemein
ausgedrückt
kann es bereits ausreichend sein, dass aus der Gesamtmenge von CAI-Betriebsart-Bereichen,
die mit der vorliegenden Temperierungsleistung der Temperierungsvorrichtung
einstellbar sind, ein solcher ausgewählt wird, der für den aktuellen
Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 den ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereich CAI1
innerhalb des erweiterten CAI-Betriebsart-Bereich ECAI derart verschiebt,
dass ein verschobener CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 resultiert,
innerhalb dem dem aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OP1 des
Ottomotors CE gegenüber
dem ursprünglichen
CAI-Betriebsart-Basisbereich CAI1 eine Soll-Zuführtemperatur TA zuordenbar
ist, mit der für
den aktuellen Motorbetriebspunkt OP1 ein verringerter Kraftstoffverbrauch
des Ottomotors CE bewirkt wird. Für diesen werden dann die Prozessschritte
der Funktionsblöcke
S17, S18, S19, S20 in analoger Weise wie oben beschrieben durchgeführt.
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Alternativ
zur Ermittlung der Soll-Zuführtemperatur
TVR im Funktionsblock S13, die ein relatives Kraftstoffverbrauchsminimum
nach sich zieht, kann es ggf. zweckmäßig sein, in einem dritten
Ablaufpfad mit der rangniedrigsten Priorität Prio3 für den jeweilig einstellbaren
CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 eine Mittentemperatur TMIT
für dessen
aufgespannte Drehzahl-/Drehmomentfläche zu ermitteln.
Die Mittentemperatur TMIT ist dabei diejenige Temperatur, die demjenigen
Drehzahl-/Drehmomentwertepaar
zugeordnet ist, für
das sie einen möglichst
großen
Abstand zu der unteren sowie oberen Temperaturgrenze TVmin, TVmax
des jeweilig einstellbaren CAI-Betriebsbereichs
wie z.B. CAI2 aufweist. Die Mittentemperatur TMIT entspricht insbesondere
im Wesentlichen dem Flächenschwerpunkt
oder Zentrum des möglichen
Aktionsbereichs der Temperierung im jeweilig einstellbaren CAI-Betriebsbereich.
Wird im Funktionsblock S12 festgestellt, dass die verbrauchsoptimale
Soll-Zuführtemperatur
TVO außerhalb
der CAI-Temperaturgrenzen TVmin, TVmax des jeweilig einstellbaren
CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 liegt, so wird im Funktionsblock
S17 als Soll-Zuführtemperatur
TS die im Funktionsblock S16 ermittelte CAI-Mittentemperatur TVMIT
herangezogen, auf die das Regelsystem CS einregelt. Auf diese Weise
ergibt sich auch dann schon eine Kraftstoffeinsparung, wenn es nicht
möglich
ist, weder die absolut verbrauchsoptimale Soll-Zuführtemperatur
TVO noch die relativ verbrauchsminimale Soll-Zuführtemperatur TVR innerhalb
der zugeordneten CAI-Zuführtemperaturgrenzen
TVmin, TVmax des jeweiligen CAI-Aktionsbereichs einzustellen.
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Zeigt
eine Fahrprofilanalyse, die mittels des Funktionsblocks S14 symbolisiert
ist, dass aufgrund des Fahrverhaltens des Fahrers eines Kraftfahrzeugs
mit Ottomotor – wie
z.B. bei einem „nervösen Gasfuß" oder „Pumpen" des Gaspedals – die verbrauchsoptimale
Strategie des Ablaufpfads mit der Priorität Priol übermäßig oft verlassen und wieder
angefahren wird, was im Funktionsblock S15 registriert wird, wird zweckmäßigerweise
von der absolut verbrauchsoptimalen oder relativ verbrauchsminimalen Strategie
abgewichen und an Stelle dessen in diese Mittenstrategie mit Hilfe
des Funktionsblocks S16 gewechselt. Dazu wird vorzugsweise die mittlere
darstellbare Temperatur eingestellt. Sie definiert sich insbesondere
als diejenige Temperatur, bei der eine Flächengewichtung nach Last und
Drehzahl einen möglich
großen
Abstand zur jeweiligen CAI-Aktionsgrenze des jeweilig einstellbaren
CAI-Betriebsart-Bereichs zulässt.
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Weiterhin
kann es ggf. zweckmäßig sein,
neben einer Flächengewichtung,
insbesondere Flächenschwerpunktbildung,
die Stellstreckeneigenschaften des Temperierungssystems bei der
Temperaturregelung zu berücksichtigen.
Damit fließen
weitere Kriterien wie zum Beispiel die Temperaturverstellgeschwindigkeit
bei der Temperaturregelung mit ein. Die Mittentemperatur ist zwar
nicht mehr verbrauchsminimal, in Summe erzielt man jedoch einen Vorteil,
da der CAI-Motorbetrieb konstant aufrechterhalten werden kann und
nicht permanent zwischen verschiedenen Betriebsarten wie zum Beispiel SI-Motorbetriebsart
und CAI-Betriebsart gewechselt wird. Grund dafür ist, das sich durch die Temperierung
des zu ladenden Frischluftmassestroms der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsbereich
im Rahmen der maximalen Kühl-/Heizleistung
der Aufwärmungs-/Kühleinheit
verschieben lässt.
Es ergibt sich somit der erweiterte CAI-Bereich ECAI. Dieser ist in der 4 in
der unteren Bildhälfte
dargestellt. Dieser erweiterte CAI-Betriebsbereich ECAI bildet einen
gegenüber
dem ursprünglich
gegebenen CAI-Betriebsbereich
CAI1 vergrößerten Betriebsbereich.
Im restlichen Motorbetriebsbereich SIB kann zum Beispiel der SI-Motorbetriebmodus
durchgeführt
werden.
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In
der oberen Bildhälfte
von 4 ist in schematischer Darstellung zusammengefasst,
wie der Betriebsbereichsmanager CM als Teil des Betriebsartenmanagers
OMT arbeitet. Wird im Schritt COP ein Betriebspunktwechsel des Ottomotors
erzwungen oder ist er notwendig wie zum Beispiel aufgrund eines Gangwechsels,
so wird der aktuelle Lastpunkt, d.h. die aktuelle Drehzahl N sowie
das aktuelle Drehmoment TQ des Ottomotors ermittelt. Dazu wird mit Hilfe
einer Plausibilisierung aus Leistungsbedarf und Momentangeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs im Funktionsblock PL ermittelt, ob das Fahrzeug
eine Steigung oder ein Gefälle
befährt.
Im Funktionsblock UDG wird die zugehörige Steigung oder das Gefälle berechnet.
Aufgrund einer Fahrwiderstandskurve DRG kann dann aufgrund der gemessenen
Fahrzeuggeschwindigkeit das Drehmoment bestimmt werden, das an der
Kurbelwelle des Ottomotors momentan wirksam ist. Für diesen
aktuelle Last des Ottomotors ermittelt dann der Motorbetriebsartenmanager
OMT, ob überhaupt
ein optimierter, erweiterter CAI-Betrieb CAIM möglich ist, oder ob der Ottomotor im
SI-Betrieb SIM betrieben werden soll. Ist ein CAI-Betrieb möglich, so
wird nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
eine Optimierung, insbesondere Erweiterung, des CAI-Betriebsmodus vorgenommen. Dazu
werden aktuelle Betriebsparameter IMP des Luftansaugtakts, wie zum
Ansauglufttemperatur, Mischtemperatur des zuladenden Frischluftmassenstroms,
Kühlmitteltemperatur,
Wärmeübertragung des
Wärmetauschers,
usw. ermittelt und dem CAI-Betriebsart-Bereichsmanager OM zugeführt. Weiterhin
werden ggf. Parameter über
das Stellstreckenmodell der Luftgemischtemperierung, die insbesondere
durch Kennparameter der Ansaugluftstrecke, dem Wärmeübertragungskoeffizienten des
Wärmetauschers,
der Mischklappenstellung, usw. gebildet sein können, dem CAI-Betriebsart-Bereichsmanager
OM zur Auswertung und Optimierung zur Einstellung einer optimalen
Soll-Zuführtemperatur
TA für den
erweiterten CAI-Betrieb CAIM zur Verfügung gestellt.
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Auf
diese Weise ist es ermöglicht,
den Motorbetriebsbereich, in dem der CAI-Modus dargestellt werden
kann, auf einfache und effiziente Weise zu erweitern. Die Vorteile
der CAI-Betriebsart,
insbesondere im Wesentlichen der günstige Kraftstoffverbrauch
und geringe NOx-Emissionen, kommen somit deutlich stärker zum
Tragen. Mit anderen Worten ausgedrückt, heißt das, dass der CAI-Betrieb
durch eine etwaige Verschiebung aufgrund von gezielter Temperierung
des zugeführten
Frischluftmassenstroms auf Drehmomente und/oder Drehzahlen außerhalb
der Grenzen des ursprünglichen,
motorentechnisch bedingten CAI-Betriebsart-Basisbereichs – wie hier
z.B. CAI1 – erweitert
werden kann.