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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches und
Zumessung von Kraftstoff über
ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen
von Fahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen
es erforderlich, die Schadstoffemissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine
so gering wie möglich
zu halten. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass die Schadstoffemissionen
verringert werden, die während
der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum anderen sind in Brennkraftmaschinen
Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen,
die während
des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den
jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln.
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Insbesondere
bei Vorliegen eines instationären
Betriebszustandes ist es eine Herausforderung, geringe Schadstoffemissionen
zu gewährleisten,
da in einem solchen instationären
Betriebszustand sehr leicht sehr hohe Schadstoffemissionen erzeugt
werden können.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das beziehungsweise
die dazu beiträgt,
dass geringe Schadstoffemissionen erzeugt werden.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches
und Zumessung von Kraftstoff über
ein Kraftstoffeinspritzventil. Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen
erfolgt eine Selbstzündung
des Luft-/Kraftstoff-Gemisches. Jedoch sind auch Brennverfahren
für Benzin-Brennkraftmaschinen
bekannt mit Selbstzündung
des Luft-/Kraftstoff-Gemisches.
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Mindestens
ein Einspritzparameter bezüglich
der Kraftstoffzumessung wird abhängig
von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine unter
der Annahme eines stationären
Betriebszustandes ermittelt. Bei Vorliegen eines instationären Betriebszustandes
wird eine Soll-Brennraumtemperatur für den stationären Betriebszustand
abhängig von
mindestens einer der Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine ermittelt. Ferner wird bei Vorliegen des instationären Betriebszustandes
eine Ist-Brennraumtemperatur
abhängig
von einem physikalischen Modell für transienten Betrieb der Brennkraftmaschine abhängig von
der Soll-Brennraumtemperatur und mindestens einer der Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine ermittelt. Ein derartiges physikalisches Modell
kann beispielsweise durch Versuche ermittelt werden, so zum Beispiel
an einem Motorprüfstand, oder
auch beispielsweise mittels entsprechender Simulationen parametrisiert
sein. Ferner wird bei Vorliegen des instationären Betriebszustandes abhängig von
der Soll- und der Ist-Brennraumtemperatur
ein Korrekturwert für
den mindestens einen Einspritzparameter ermittelt. Das Kraftstoffeinspritzventil
wird abhängig
von dem mindestens einen Einspritzparameter und dem zugeordneten
Korrekturwert angesteuert. Auf diese Weise kann zum einen einfach
der mindestens eine Einspritzparameter ermittelt werden, durch den
einfach bei Vorliegen eines stationären Betriebszustandes ein Betrieb
der Brennkraft maschine mit geringen Emissionen gewährleistet
werden kann und zwar bei entsprechender Parametrisierung des ersten
Einspritzparameters.
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Darüber hinaus
kann jedoch auch in dem instationären Betriebszustand sehr einfach
und wirkungsvoll ein günstiger
Verbrauch gewährleistet
werden und hohe Schadstoffemissionen, so insbesondere NOX-Emissionen,
deutlich verringert werden. Es hat sich hier gezeigt, dass die Brennraumtemperatur diesbezüglich ein
besonders charakteristisches Maß ist
und durch das einfache Ermitteln der Soll-Brennraumtemperatur und
der Ist-Brennraumtemperatur und das davon abhängige Ermitteln des Korrekturwertes
besonders einfach ein wirkungsvolles Reduzieren der Schadstoffemissionen
und auch des Verbrauchs im instationären Betrieb möglich ist.
Darüber hinaus
kann so auch während
des instationären
Betriebszustandes eine vorteilhafte Akustik bei der Verbrennung
beibehalten werden.
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Die
Soll- und auch die Ist-Brennraumtemperatur sind bevorzugt charakteristisch
für die
Temperatur in dem Brennraum bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel
innerhalb eines Arbeitsspiels einer Brennkraftmaschine. Sie sind
insbesondere charakteristisch für
eine maximale Temperatur innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Soll-Brennraumtemperatur
abhängig
von einem Luftmassenstrom und/oder einer Drehzahl und/oder einem
einzustellenden Drehmoment ermittelt. Dies ist besonders einfach
und ermöglicht
dennoch ein hinreichend präzises
Ermitteln der für
den stationären
Betrieb charakteristischen Brennraumtemperatur.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das physikalische Modell
ein Filter. Auf diese Weise kann das physikalische Modell besonders
einfach implementiert werden und hinreichend genaue Ist-Brennraumtemperaturen
liefern.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Filter
ein Filter erster Ordnung ist. Dies lässt sich besonders rechentechnisch
einfach implementieren und es hat sich auch überraschend gezeigt, dass ein
Filter erster Ordnung, insbesondere ein PT1-Filter, den realen Verlauf
der tatsächlichen
Brennraumtemperatur während
des instationären
Betriebszustandes sehr gut modelliert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Filterzeitkonstante
abhängig
von dem Luftmassenstrom ermittelt. Auf diese Weise lässt sich
die Ist-Brennraumtemperatur besonders präzise ermitteln.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einspritzparameter
eine kurbelwellenbezogene Lage einer vorzunehmenden Einspritzung.
Auf diese Weise kann einfach ein Schwerpunkt der Verbrennung des
Luft-/Kraftstoff-Gemisches
beeinflusst werden und zwar im Sinne einer Reduktion von Schadstoffemissionen.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Einspritzparameter
eine kurbelwellenbezogene Lage einer vorzunehmenden Voreinspritzung
ist, da so ein Beginn der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches
bezogen auch auf eine Haupteinspritzung besonders gezielt beeinflusst
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Einspritzparameter
eine kurbelwellenbezogene Lage einer vorzunehmenden Haupteinspritzung.
Auf diese Weise kann besonders präzise ein Verbrennungsschwerpunkt
und so eine Brennraumtemperatur eingestellt werden.
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Ferner
ist es auch vorteilhaft, wenn der Einspritzparameter eine zuzumessende
Kraftstoffmasse ist. Auf diese Weise kann einfach ein günstiger
Drehmomentverlauf realisiert werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Einspritzparameter
eine Voreinspritzmasse ist. Es hat sich diesbezüglich gezeigt, dass durch die
Voreinspritzmasse die Schadstoffemissionen maßgeblich beeinflussbar sind.
Ferner ist es in diesem Zusammenhang auch sehr vorteilhaft, wenn
der Einspritzparameter eine Haupteinspritzmasse ist. Auf diese Weise
kann besonders präzise ein
günstiger
Drehmomentverlauf realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung und
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Programms zum Steuern der Brennkraftmaschine.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen
Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise
eine Drosselklappe 5, die auch bei einer Brennkraftmaschine
mit Selbstzündung
des Luft-/Kraftstoff-Gemisches beispielsweise vorteilhaft im Zusammenhang
mit einer Abgasrückführung oder
auch einem Tankentlüftungssystem
eingesetzt werden kann. Der Ansaugtrakt 1 umfasst ferner
vorzugsweise einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7,
das hin zu einem Zylinder Z1 über
einen Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist.
Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 8,
welche über
eine Pleuelstange 10 mit dem Kolben 11 des Zylinders
Z1 gekoppelt ist.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 12 und
einem Gasauslassventil 13. Der Zylinderkopf 3 umfasst
ferner ein Kraftstoffeinspritzventil 18, mittels dessen
Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders Z1 zugemessen werden kann.
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In
dem Abgastrakt 4 ist bevorzugt ein Abgaskatalysator 21 angeordnet.
Gegebenenfalls kann ferner in dem Abgastrakt auch ein Partikelfilter
angeordnet sein. Ferner ist bevorzugt eine Abgasrückführung vorgesehen,
die dazu ausgebildet ist, Abgas aus dem Abgastrakt 4 in
den Ansaugtrakt 1 zurückzuführen. Darüber hinaus
ist vorzugsweise auch ein Abgasturbolader vorgesehen.
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Eine
Steuervorrichtung 25 ist für die Brennkraftmaschine vorgesehen,
der Sensoren zugeordnet sind, die für die Messgrößen erfassen
und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln.
Betriebsgrößen umfassen
neben den Messgrößen auch
von diesen abgeleitete Größen. Die
Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der
Betriebsgrößen BG Stellgrößen, die
dann in ein oder mehrere Stellsignale SG zum Steuern der Stellglieder
mittels entsprechender Stellantriebe angesetzt werden.
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Die
Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Steuern
der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.
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Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welcher eine
Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28,
welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 in
dem Ansaugtrakt erfasst, ein erster Temperatursensor 32,
welcher eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36,
welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl
N zugeordnet wird. Ferner ist ein zweiter Temperatursensor 38 vorgesehen,
der eine Kühlmitteltemperatur
oder eine Kraftstofftemperatur erfasst. Je nach Ausführungsform
kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden
sein oder es können
auch zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die
Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13 und das
Kraftstoffeinspritzventil 18.
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Neben
dem Zylinder Z1 sind bevorzugt noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen,
denen dann auch entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls Sensoren
zugeordnet sind. Somit kann die Brennkraftmaschine eine beliebige
Anzahl an Zylindern Z1 bis Z4 aufweisen.
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Ein
Programm zum Steuern der Brennkraftmaschine ist in einem Speicher
der Steuervorrichtung 25 gespeichert und wird bevorzugt
zeitnah zu einem Start der Brennkraftmaschine in einem Schritt S1
(2) gestartet. In dem Schritt S1 werden gegebenenfalls
Variablen initialisiert.
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In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand BZ befindet,
der ein instationärer
Betriebszustand BZ_INST ist. Die Brennkraftmaschine befindet sich insbesondere
in dem instationären
Betriebszustand BZ_INST, wenn eine oder mehrere relevante Betriebsgrößen eine
vorgegebene minimale Dynamik aufweisen. Beispielsweise kann ein
solcher instationärer
Betriebszustand BZ_INST eingenommen werden, wenn das durch die Brennkraftmaschine
zu erzeugende Wunsch-Drehmoment eine vorgegebene Dynamik aufweist,
beispielsweise hervorgerufen durch ein Betätigen des Fahrpedals 27 durch
einen Fahrer. Ist die Bedingung des Schrittes S2 nicht erfüllt, so
wird die Bearbeitung in einem Schritt S4 fortgesetzt, in dem das
Programm für
eine vorgebbare Wartezeitdauer T_W oder auch einen entsprechenden
Kurbelwellenwinkel verharrt, bevor die Bearbeitung in dem Schritt
S2 erneut fortgesetzt wird. Die Verweildauer in dem Schritt S4 ist
dabei so gewählt, dass
der Schritt S2 geeignet häufig
abgearbeitet wird, so zum Beispiel einmal pro Zylindersegment der Brennkraftmaschine,
also bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine
mit vier Zylindern, alle 180° Kurbelwellenwinkel.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S2 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt
S6 ein Einspritzparameter abhängig
von mindestens einer Betriebsgröße BG ermittelt.
In dem Schritt S6 wird so beispielsweise ein Einspritzbeginn SOI
und/oder ein Einspritzende EOI abhängig von der mindestens einen
Betriebsgröße ermittelt.
Die Betriebsgröße BG kann
im Zusammenhang mit dem Schritt S6 beispielsweise das gewünschte durch
die Brennkraftmaschine einzustellende Drehmoment TQI_SP, die Drehzahl
N und/oder die durch den ersten Temperatursensor 32 und/oder zweiten
Temperatursensor 38 erfassten Temperaturen oder auch weitere
Betriebsgrößen umfassen.
Die Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Einspritzbeginns SOI
und des Einspritzendes EOI ist für
einen stationären
Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgegeben und ist bevorzugt
empirisch, beispielsweise durch Versuche an einem Motorprüfstand und/oder
durch Simulationen ermittelt und ist bevorzugt in einem oder mehreren
Kennfeldern in einem Speicher der Steuervorrichtung 25 abgelegt.
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In
einem Schritt S8 wird eine Soll-Brennraumtemperatur T_BR_SP abhängig von
mindestens einer Betriebsgröße ermittelt,
die bevorzugt eine zuzumessende Kraftstoffmasse MFF und/oder bevorzugt
eine Drehzahl N und/oder ein einzustellendes Drehmoment TQI_SP umfasst.
Die zuzumessende Kraftstoffmasse MFF wird maßgeblich abhängig von einer
die einzustellende Last in der Brennkraftmaschine charakterisierenden
Betriebsgröße, wie
beispielsweise dem gewünschten
einzustellenden Drehmoment TQI_SP ermittelt. Dies erfolgt entsprechend des
Vorgehens des Schrittes S6 bevorzugt abhängig von einem oder mehreren
in einem Speicher der Steuervorrichtung abgelegten Kennfeld oder
Kennfeldern. Darüber
hinaus können
bei dem Ermitteln der Soll-Brennraumtemperatur auch noch weitere Betriebsgrößen wie
beispielsweise eine Abgasrückführrate oder
die Ansauglufttemperatur berücksichtigt
werden und zwar unter der Annahme des stationären Betriebszustandes.
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In
einem Schritt S10 wird eine Filterzeitkonstante t_eng ermittelt
und zwar abhängig
von mindestens einer Betriebsgröße BG, die
bevorzugt der Luftmassenstrom ist. Dies kann ebenfalls abhängig von
mindestens einem Kennfeld erfolgen.
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In
einem Schritt S12 ist ein Filter vorgesehen, das bevorzugt ein Filter
erster Ordnung ist (wie z. B. ein PT1-Filter), dessen Filterzeitkonstante
t_eng ist und an dem eingangsseitig die Soll-Brennraumtemperatur
T_BR_SP anliegt und ausgangsseitig dann eine Ist-Brennraumtemperatur
T_BR_AV ausgegeben wird. Durch die Schritte S8 bis S12 wird ein physikalisches
Modell für
den transienten Betrieb zum Ermitteln der Ist-Brennraumtemperatur T_BR_AV realisiert.
Auf diese Weise kann somit eine hinreichend genaue Abschätzung der
tatsächlichen Brennraumtemperatur
auch während
des transienten Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgen. Dabei kann
die Brennraumtemperatur auf die Temperatur in dem Brennraum beispielsweise
zu einem vorgebbaren Kurbelwellenwinkel während des jeweiligen Arbeitsspiels
bezogen sein. Bevorzugt korrespondiert die Brennraumtemperatur zu
einer maximalen Temperatur innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels.
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In
einem Schritt S14 werden ein oder mehrere Korrekturwerte ermittelt
und zwar abhängig
von der Soll-Brennraumtemperatur T_BR_SP und der Ist-Brennraumtemperatur
T_BR_AV. Bei Ausführung des
Schrittes S14 wird bevorzugt ein Korrekturwert KOR_SOI für den Einspritzbeginn
und/oder ein Korrekturwert KOR_EOI für das Einspritzende abhängig von
der Soll-Brennraumtemperatur
und der Ist-Brennraumtemperatur T_BR_AV ermittelt. Bevorzugt wird
hierzu die Abweichung und insbesondere die Differenz zwischen der
Soll-Brennraumtemperatur T_BR_SP und der Ist-Brennraumtemperatur T_BR_AV
herangezogen.
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Das
Ermitteln der Korrekturwerte kann beispielsweise mittels eines weiteren
physikalischen Modells erfolgen, das bevorzugt ein oder mehrere Kennfelder
umfasst, und insbesondere in Form einer Vorsteuerung realisiert
ist.
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In
einem Schritt S16 wird anschließend
ein Stellsignal SG zum Ansteuern des jeweiligen Einspritzventils 18 ermittelt,
das dem jeweiligen Zylinder Z1 bis Z4 zugeordnet ist und zwar abhängig von
mindestens einem Einspritzparameter und/oder mindestens einem Korrekturwert.
So wird das Stellsignal beispielsweise abhängig von dem Einspritzbeginn
SOI und/oder dem Einspritzende EOI und/oder dem Korrekturwert KOR_SOI
für den
Einspritzbeginn und/oder dem Korrekturwert KOR_EOI für das Einspritzende
ermittelt. Der Einspritzbeginn SOI und das Einspritzende EOI sind
jeweils auf den Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 8 bezogen.
Das jeweilige Einspritzventil 18 wird dann entsprechend
dem in dem Schritt S16 ermittelten Stellsignal SG zum Zumessen von
Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum des jeweiligen Zylinders
Z1 bis Z4 angesteuert. Im Anschluss an die Bearbeitung des Schrittes
S16 wird die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
zu dem Schritt S6 kann ein Schritt S18 vorgesehen sein, in dem eine
Haupteinspritzmasse MFF_M und/oder eine Voreinspritzmasse MFF_PILOT
abhängig
von mindestens einer Betriebsgröße BG ermittelt
werden. Diese eine Betriebsgröße BG umfasst
bevorzugt eine die an der Brennkraftmaschine einzustellende Last charakterisierende
Größe, wie
ein gewünschtes durch
die Brennkraftmaschine einzustellendes Drehmoment und bevorzugt
eine Drehzahl. Sie kann jedoch auch weitere Betriebsgrößen BG umfassen.
Die Zuordnungsvorschrift oder Zuordnungsvorschriften des Schrittes
S18 umfassen bevorzugt ebenfalls ein oder mehrere Kennfelder.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dem Schritt S14 kann dann auch ein Schritt S20 vorgesehen sein,
in dem ein Korrekturwert KOR_MFF_M für die Haupteinspritzung ermittelt
wird und zwar abhängig
von der Soll-Brennraumtemperatur T_BR_SP und der Ist-Brennraumtemperatur
T_BR_AV. Alternativ oder zusätzlich
kann in dem Schritt S20 auch ein Korrekturwert KOR_MFF_PILOT für die Voreinspritzung
abhängig
von der Soll- Brennraumtemperatur
T_BR_SP und der Ist-Brennraumtemperatur T_BR_AV ermittelt werden.
Die Zuordnungsvorschriften zum Ermitteln der Korrekturwerte KOR_MFF_PILOT,
KOR_MFF_M korrespondieren bevorzugt grundsätzlich zu denen des Schrittes
S14. Das Stellsignal SG wird dann in dem Schritt S16 auch abhängig von
der Haupteinspritzmasse MFF_M und/oder der Voreinspritzmasse MFF_PILOT
und/oder dem Korrekturwert KOR_MFF_PILOT für die Voreinspritzmasse und/oder
dem Korrekturwert KOR_MFF_M für
die Haupteinspritzmasse ermittelt.
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Korrekturwerte
sind durch die Zuordnungsvorschriften so vorgegeben, dass auch bei
transientem Betrieb möglichst
geringe Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen gewährleistet werden
können
und auch eine günstige
Akustik sichergestellt werden kann. Darüber hinaus können sie auch
dahingehend optimiert sein, dass eine Erzeugung von Schadstoffpartikeln
minimiert oder zumindest gering gehalten ist.
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Insbesondere
kann so durch die Korrekturwerte ein Zündverzug des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in
dem jeweiligen Brennraum im Vergleich zu dem eingeschwungenen Zustand,
also dem stationären Betriebszustand,
sehr stark vermindert oder auch verlängert werden. So kann beispielsweise
bei Erhöhen
der Solltemperatur T_BR_SP infolge eines Anhebens oder Erhöhens der
zuzumessenden Kraftstoffmasse MFF die Differenz zwischen der Ist-Brennraumtemperatur
T_BR_AV und der Soll-Brennraumtemperatur
T_BR_SP zunächst
negativ werden und der Einspritzbeginn SOI nach früh korrigiert
werden. Gleichzeitig wird dann auch der Korrekturwert KOR_MFF_PILOT
für die
Voreinspritzkraftstoffmasse MFF_PILOT erhöht, was dann auch dazu führt, dass
ein drehmomentneutraler Übergang erreicht
werden kann und durch die Korrekturwerte dann mit steigender Zeit
deren Beitrag immer geringer wird, bis eine Korrektur nicht mehr
nötig ist.
Bei einer Senkung der Soll-Brennraumtemperatur T_BR_SP
erfolgt der entsprechende Ablauf entsprechend invertiert.