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Der
sogenannte CAI(„Controlled
Auto Ignition")-Verbrennungsprozess
ist als ottomotorischer Betriebsmodus eines Verbrennungsmotors lediglich in
einem eingeschränkten
Betriebsbereich möglich. Denn
zum einen ist für
den CAI-Verbrennungsbetrieb dessen
Motordrehzahlbereich nach oben hin dadurch begrenzt, dass bei zu
hohen Motordrehzahlen zu hohe, den Verbrennungsmotor schädigende Druckgradienten
in den Brennkammern dessen Zylinder beim jeweiligen Verbrennungsprozess
auftreten können.
Zum anderen beschränken
die für
den CAI-Verbrennungsbetrieb geforderten hohen Restgasraten in den
Brennkammern der Zylinder des Verbrennungsmotors deren Zylinderfüllungen
mit Frischluft und damit das erzielbare Motordrehmoment. Die Gefahr
einer verschleppten Verbrennung oder eines Verbrennungsaussetzers
im jeweiligen Zylinder aufgrund zu niedriger Ladungstemperatur und
daraus resultierendem späten
Verbrennungsbeginn im CAI-Verbrennungsbetrieb begrenzt weiterhin
dessen Drehzahlbetriebsbereich nach unten hin, so dass in der Regel
im CAI-Verbrennungsmodus kein Leerlauf darstellbar ist. Sind die
Voraussetzungen hinsichtlich Motordrehzahl, Motordrehmoment, Restgasrate
an verbranntem Luft-/Kraftstoffgemisch
in der Brennkammer des jeweiligen Zylinders oder sonstiger CAI-typischer
Parameter für
den CAI-Betriebsmodus des
ottomotorischen Verbrennungsmotors nicht erfüllt, so wird dieser in der
Praxis im sogenannten SI(„spark
ignition")-Betriebsmodus
fremdgezündet. Um
den jeweiligen Verbrennungsmotor überhaupt in den CAI-Betriebsmodus
bringen zu können,
wird ausgehend vom SI-Verbrennungsbetrieb Restgas an verbranntem
Luft-/Kraftstoffgemisch in der Brennkammer des jeweiligen Zylinders
während
dessen Ausstoßungstaktes
dadurch zurückbehalten,
dass insbesondere durch Nockenwellenhubumschaltung auf einen kleineren
Ventilhub des jeweiligen Auslassventils dieses Zylinders umgeschaltet
wird.
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Befindet
sich der Verbrennungsmotor im CAI-Betriebsmodus, und wird eine Schubabschaltung
vorgenommen, d. h. die Einspritzung von Kraftstoff über die
Zeitdauer mindestens eines Verbrennungszyklus abgeschaltet, so wird
ausschließlich Frischluft
durch den Verbrennungsmotor gepumpt. Dies bedeutet, dass heißes Restgas,
welches für
die Initiierung der CRI-Verbrennung Voraussetzung ist, durch Nockenwellenhubumschaltung
in Verbindung mit einer – zum
Beispiel zweistufigen – Ventilhubumschaltung
im Brennraum des jeweiligen Zylinders zurückgehalten wird, der sich im
Ausstoßungstakt
befindet, fehlt. Folglich könnte
ein Wiedereinsetzen in den befeuerten Verbrennungsbetrieb des CAI-Verbrennungsmodus
nicht unmittelbar im CAI-Betriebsmodus erfolgen, sondern es wäre der Umweg über den
fremdgezündeten
SI-Betriebsmodus notwendig. Ein derartiger Wechsel bzw. ein derartiges
Umschalten vom CAI-Betriebsmodus in den SI-Betriebsmodus nach einer Schubabschaltphase
wäre ansteuerungstechnisch
aufwendig, würde
Umschaltrisiken bergen, sowie ineffizient sein. Insbesondere ginge wertvolles
CAI-Potenzial, d. h. der mit dem CAI-Betriebsmodus einhergehende
hohe Verbrennungswirkungsgrad bei gleichzeitig geringen NOx-Emissionen verloren.
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Aus
US 7 121 233 B2 ist
ein Verfahren zum Wiedereinsetzen in den CAI-Betrieb ausgehend von einer
Schubabschaltphase bekannt, bei dem der Motor zunächst für eine vorgegebene
Zeitspanne im SI-Betriebsmodus betrieben wird, um so die Temperatur
in den Brennkammer zu erhöhen
und Fehlzündungen
zu vermeiden. Der beschriebene Motor verfügt ferner über eine variable Ventilsteuerung,
wodurch eine interne Abgasrückführung möglich wird.
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Aus
BASSHUYSEN, Ottomotor mit Direkteinspritzung, Wiesbaden, Vieweg,
April 2007, Seiten 95–97,
sind Verfahren zur Variation des Restgasanteils in den Brennkammern
eines Motors bekannt. Es werden die Konzepte der äußeren und
inneren Abgasrückführung sowie
das der Abgasrückhaltung vorgestellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie
bei einem ottomotorischen Verbrennungsmotor eine direkte Wiederaufnahme
des CAI-Betriebsmodus nach einer Schubabschaltphase ohne Wechsel
in den SI-Betriebsmodus ermöglicht
ist. Diese Aufgabe wird durch folgendes erfindungsgemäßes Verfahren
gelöst:
Verfahren
zum direkten Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus eines Verbrennungsmotors
im Anschluss an eine Schubabschaltphase, indem der CAI-spezifische
Ventilhub für
die Gasauslassventile der Zylinder des Verbrennungsmotors während dessen
Schubabschaltphase beibehalten wird, indem auf ein Anforderungssignal
zum Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus
hin nach dem Schließzeitpunkt
der ein oder mehreren Gasauslassventile desjenigen Zylinders, der
sich am Ende der jeweiligen Schubabschaltphase im Ausstoßungstakt
sei nes Verbrennungszyklus befindet, in dessen Brennkammer eine Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge
als Kraftstoff-Nebeneinspritzung zur Erzeugung eines zündfähigen Luft-Kraftstoffgemisches
eingespritzt wird, indem das vorab erzeugte Luft-Kraftstoffgemisch in der nachfolgenden
CAI-Zwischenkompressionsphase des Ausstoßungstakts dieses Zylinders
durch eine Zündvorrichtung
fremdgezündet
und verbrannt wird, wodurch heißes
Abgas in der Brennkammer dieses Zylinders gebildet wird, indem im
anschließenden Ansaugtakt
dieses Zylinders Frischluft über
die ein oder mehreren Gaseinlassventile in die Brennkammer dieses
Zylinders angesaugt, im nachfolgenden Kompressionstakt dieses Zylinders
eine Kraftstoff-Haupteinspritzmenge
in die Brennkammer dieses Zylinders in einer Hauptkompressionsphase
eingespritzt wird, und indem der aus der früheren Kraftstoff-Nebeneinspritzung
bewirkte Abgasinhalt dieses Zylinders mit dem für die Haupteinspritzung neu
eingebrachten Luft-Kraftstoffgemisch zu einem CAI-selbstzündfähigen, homogenen
Frischluft-Abgas-Kraftstoffgemisch vermischt wird.
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Auf
diese Weise kann nach einer Schubabschaltphase des ottomotorischen
Verbrennungsmotors, der vor der Schubabschaltphase schon im CAI-Betriebsmodus
betrieben worden war, der CAI-Betrieb
wieder unmittelbar aufgenommen werden. Es ist kein Umweg über, d.
h. Wechsel in den fremdgezündeten
SI-Betrieb mit entsprechender Ventilhubumschaltung erforderlich.
Dies vermeidet die Gefahr von Umschaltfehlern insbesondere der Ventilhubumschaltvorrichtung
und damit einhergehendes Ruckeln des Verbrennungsmotors. Da der Verbrennungsmotor
auch nach der jeweiligen Schubabschaltphase weiterhin – wie zuvor
vor der Schubabschaltphase – durchgängig, d.
h. ununterbrochen im CAI-Betriebsmodus verbleiben kann, ergeben sich
insgesamt ein verbesserter Verbrennungswirkungsgrad sowie ein verbessertes
NOx-Emissionsverhalten für
einen derart betriebenen Verbrennungsmotor. Da die Laststeuerung
des CAI-Betriebsmodus in erster Linie über Kraftstoffmenge und Einspritzphasing
erfolgt, bedarf es auch keiner Androsselung über die Drosselklappe. Sie
kann daher in vorteilhafter Weise geöffnet blei ben, was sich während der Schubabschaltphase
positiv auf das Fahrverhalten auswirkt, da das Motorbremsmoment
sehr gering ist, und ein Fahrzeug mit einem derart kontrollierten
Verbrennungsmotor ohne Kraftstoffbedarf entsprechend lange bei nur
geringem Drehzahlabfall weiterläuft bzw.
ausrollt.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Steuergerät mit einer Steuer-Ablauflogik zum direkten
Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus
eines Verbrennungsmotors im Anschluss an eine Schubabschaltphase.
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Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 anhand
eines schematischen Zylinderinnendruck-Diagramms eine vorteilhafte Kraftstoffeinspritzstrategie
für den
jeweiligen Zylinder eines Ottokraftstoff-Verbrennungsmotors zum
direkten Wiedereinsetzen in den CAI-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors
nach einer Schubabschaltphase gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip,
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2 ein
schematisches Ablaufdiagramm in einem Steuergerät zum direkten Wiedereintreten
in den CAI-Betriebsmodus des Ottokraftstoff-Verbrennungsmotors gemäß der Einspritzstrategie
von 1, und
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3 in
schematischer Übersichtsdarstellung
einen Verbrennungsmotor nach dem Ottoprinzip mit einem Steuergerät, das ein
direktes Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus gemäß der Steuerstrategie
nach den 1 und 2 ermöglicht.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 mit
3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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3 zeigt
in schematischer Darstellung Hauptkomponenten einer ottomotorischen
Verbrennungskraftmaschine CE. Dieser Verbrennungsmotor CE weist
hier im Ausführungsbeispiel
vier Zylinder C1 mit C4 auf. Im Verbrennungsbetrieb des Ottomotors
CE wird Frischluft FA über
einen Luftfilter AF in den Luftansaugtrakt IS des Ottomotors CE
angesaugt. Mittels einer Drosselvorrichtung TH lässt sich die Luftmasse AM regulieren,
die einem motorblockeinlassseitigen Saugrohr IM des Luftansaugtrakts
IS zugeführt
wird. Das Saugrohr IM teilt den einströmenden Luftmassenstrom AM über zylinderspezifische Verteilerrohre
IM1 mit IM4 den Zylindern C1 mit C4 zu. Der Öffnungsquerschnitt, der durch
die Drosselvorrichtung TH im Eingangsabschnitt des Luftansaugtrakts
IS für
den angesaugten Frischluftstrom FA freigegeben wird, wird dabei
von einem Motorsteuergerät
ECU aus kontrolliert. Dies ist in der 3 durch einen
Steuerpfeil SL1 angedeutet. Ggf. kann in Lufteinströmungsrichtung
betrachtet vor der Drosselvorrichtung TH zusätzlich eine Kompressorvorrichtung vorgesehen
sein, mit der eine Luftverdichtung des einströmenden Luftmassenstrom FA durchgeführt wird.
In der 3 ist eine Kompressorvorrichtung COM strichpunktiert
angedeutet. Der Verdichtungsgrad der Kompressor- bzw. Verdichtungsvorrichtung COM
wird dabei ebenfalls vom Steuergerät ECU aus gesteuert bzw. geregelt,
was durch einen strichpunktierten Wirkpfeil SL2 angedeutet ist.
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Jeder
Zylinder C1 mit C4 weist einlassseitig mindestens ein Gaseinlassventil
AI1 mit AI4 auf. Diese Gaseinlassventile lassen sich mit Hilfe des
Motorsteuergeräts
ECU zylinderindividuell über
eine Aktuatorvorrichtung CAM öffnen
und schließen,
was durch spezifisch zugeordnete Wirkpfeile L1 mit L4 in der 3 angedeutet
ist. Die Aktuatorvorrichtung CAM umfasst vorzugsweise Nocken an
der Nockenwelle des Verbren nungsmotors CE, durch die die Ventilstößel der
Gaseinlassventile AI1 mit AI4 betätigt werden. In analoger Weise
werden die Gasauslassventile EV1 mit EV4 der Zylinder C1 mit C4
durch die Aktuatorvorrichtung CAM geöffnet und geschlossen. Die
Betätigung
der Gasauslassventile EV1 mit EV4 der Zylinder C1 mit C4 ist dabei
jeweils durch einen Wirkpfeil EL1 mit EL4 angedeutet.
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Zur
Zumessung von Kraftstoff FU in die Brennkammern der Zylinder C1
mit C4 sind diesen jeweils ein oder mehrere Injektoren bzw. Einspritzventile
EV1 mit EV4 zugeordnet. Die Einspritzventile EV1 mit EV4 werden
vom Motorsteuergerät
ECU aus derart angesteuert, dass jeweils eine bestimmte, zuzumessende
Kraftstoffmenge in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders C1 mit
C4 zur Einleitung eines gewünschten
Verbrennungsprozesses gelangt. Die zylinderspezifische Ansteuerung
der einzelnen Injektoren IV1 mit IV4 mit Hilfe des Motorsteuergeräts ECU ist
in der 3 durch Wirkpfeile SIV1 mit SIV4 symbolisiert.
Die Injektoren IV1 mit IV4 sind hier im Ausführungsbeispiel an eine gemeinsame
Kraftstoffleitung angeschlossen, in die der Kraftstoff FU mittels einer
Hochdruckpumpe PV unter Hochdruck eingepumpt wird. Der Kraftstoff
FU wird dabei von der Hochdruckpumpe PV aus einem Kraftstofftank
bzw. Reservoir FC entnommen. Jedem Zylinder C1 mit C4 ist eine Zündvorrichtung
SP1 mit SP4 zugeordnet, die dazu dient, im sogenannten SI-Betriebsmodus des
Verbrennungsmotors CE das in den Brennraum des jeweiligen Zylinders
C1 mit C4 eingebrachte Luft-/Kraftstoffgemisch fremdzuzünden. Die
Zündvorrichtungen
SP1 mit SP4 werden dabei ebenfalls durch das Motorsteuergerät ECU betätigt, d.
h. aktiviert. Diese Einzelansteuerung der Zündvorrichtungen SP1 mit S24
ist in der 3 durch Wirkpfeile WI1 mit WI4
gekennzeichnet. Beim vorliegenden vierzylindrigen Verbrennungsmotor
CE durchläuft
jeder Zylinder C1 mit C4 im fremdgezündeten SI-Betriebsmodus die
zyklische Abfolge
- – eines Ansaugtakts, während dem
dessen jeweiliges Gaseinlassventil für eine vorgebbare Zeitspanne
zum Ansaugen von Frischluft geöffnet wird,
- – einem
nachgeordneten Kompressionstakt, während dem sein jeweiliges Gaseinlassventil
sowie Gasauslassventil geschlossen sind, eine Haupt-Kraftstoffmenge
durch den Injektor in den Brennraum injiziert wird und schließlich das
sich ausbildende Haupt- Luft-/Kraftstoffgemisch durch die Zündvorrichtung
gezündet
wird,
- – einem
nachfolgenden Arbeitstakt, während
dem die eigentliche Verbrennung des eingebrachten Haupt-Luft-/Kraftstoffgemisches
stattfindet, und
- – einem
nachgeordneten Ausstoßungstakt,
während
dem für
eine bestimmte Zeitspanne das jeweilige Gasauslassventil geöffnet wird.
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Während des
jeweiligen Arbeitstaktes wird mittels des Kolbens des jeweiligen
Zylinders jeweils ein Drehmoment auf die Kurbelwelle CS des Verbrennungsmotors
CE aufgebracht, so dass diese in Rotation versetzt wird. Jedem Takt
des Verbrennungszyklus des jeweiligen Zylinders ist jeweils ein Kurbelwellenwinkel
CA von etwa 180 Grad [°]
zugeordnet. Die von den einzelnen Zylindern C1 mit C4 während ihres
jeweiligen Ausstoßungstaktes
ausgestoßenen,
verbrannten Abgase ES gelangen über Auslasskrümmer der
Zylinder C1 mit C4 in einen gemeinsamen Abgastrakt ET. Mittels einer λ (Lambda)-Sonde
LP wird das Verhältnis
von Luftmenge, insbesondere Restsauerstoffmenge, und nicht vollständig verbrannter
Kraftstoffmenge im Abgasstrom ES bestimmt und ein dafür repräsentatives
Messsignal MS an das Motorsteuergerät ECU über eine Messleitung ML übertragen.
Das Motorsteuergerät ECU
regelt über
verschiedene Regelgrößen wie
zum Beispiel den Öffnungswinkel
der Drosselvorrichtung TH, zugemessene Haupt-Kraftstoffmenge, usw.... das
in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders zugemessene Luft-Kraftstoffgemisch
derart ein, dass sich möglichst λ = 1 ergibt,
d. h. zur Füllung
der Brennkammer des jeweiligen Zylinders wird das stöchiometrische
Verhältnis
zwischen eingebrachter Luftmenge und Kraftstoff derart eingestellt,
dass der zugemessene Kraftstoff möglichst vollständig verbrennt.
Das Abgas ES wird schließlich über einen
Katalysator CAT zur Abgasrei nigung geführt und gereinigt vom Auspuff
EP des Abgastrakts ET emittiert.
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Die
ottomotorische Verbrennungskraftmaschine CE kann nun neben dem SI(„spark
Ignition")-Verbrennungsbetrieb
auch im sogenannten CAI(„controlled
auto Ignition")-Betriebsmodus
verbrennungstechnisch betrieben werden. Der CAI-Betriebsmodus ist
durch eine Selbstzündung
eines in die Brennkammer des jeweiligen Zylinders eingebrachten
Luft-/Kraftstoffgemisches gekennzeichnet. Voraussetzung dafür ist unter
anderem eine ausreichend hohe Restgasmenge an verbranntem Luft-/Kraftstoffgemisch,
die nach dem jeweiligen Ausstoßungstakt
des Verbrennungszyklus in der Brennkammer des jeweiligen Zylinders
verbleibt und im nächsten
Kompressionstakt bei der Kraftstoff-Haupteinspritzung der Initiierung
einer Selbstzündung
der insgesamt in die Kammer des jeweiligen Zylinders eingebrachten
Luft-/Kraftstoffmenge im Kompressionstakt dient. Dieser Rückbehalt
an heißem
Restgas wird dadurch erreicht, dass zum einen mit Hilfe der Aktuatorvorrichtung
CAM für
die Gaseinlassventile AI1 mit AI4 ein kleinerer Ventilhub als zuvor
im SI-Betriebmodus eingestellt wird. Dazu umfasst die Aktuatorvorrichtung
CAM insbesondere eine sogenannte Nockenwellenhubumschaltungsvorrichtung.
In analoger Weise dazu wird von der Aktuatorvorrichtung CAM zum
anderen insbesondere der Wechsel der Gasauslassventile EV1 mit EV4
auf einen kleineren Ventilhub (im Vergleich zum größeren Ventilhub
beim SI-Betrieb)
veranlasst. Dadurch wird eine heiße Restgasmenge im Brennraum
des jeweiligen Zylinders nach dessen jeweiligem Ausstoßungstakt
zurückgehalten,
ein Teil davon während
des nachfolgenden Luftansaugtakts im Brennraum dieses Zylinders
gehalten und während
des nachgeordneten Kompressionstaktes zur Selbstzündung des
neueingebrachten Luft-/Kraftstoffgemisches herangezogen. Die Aktuatorvorrichtung
CAM umfasst insbesondere eine zweistufige Nockenwellenhubumschaltungsvorrichtung,
die während
des CAI-Betriebsmodus den Abgasauslassventilen und den Gaseinlassventilen einen
kleineren Ventilhub als im SI-Betriebsmodus zuordnet. Der Wechsel
vom größeren Ventilhub
zum kleineren Ventilhub beim Übergang
vom SI- Betrieb auf
den CAI-Betrieb wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuersignals
CSS durch das Motorsteuergerät ECU
an die Aktuatorvorrichtung CAM veranlasst. In umgekehrter Weise
kann durch ein entsprechendes Steuersignal vom CAI-Betrieb zurück zum SI-Betrieb gewechselt
werden, indem das Motorsteuergerät ECU
die Aktuatorvorrichtung CAM anweist, vom kleineren Ventilhub für die Gasauslassventile
und die Gaseinlassventile beim CAI-Betrieb auf den größeren Ventilhub
für den
SI-Betrieb zu wechseln.
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Befindet
sich nun der Verbrennungsmotor CE bereits im CAI-Betriebsmodus, und wird dann während des
CAI-Betriebs auf ein Anforderungssignal TR hin vom Motorsteuergerät ECU eine
Schubabschaltung für
den Verbrennungsmotor CE vorgenommen, d. h. die Einspritzung von
Kraftstoff FU über
die Zeitdauer von mindestens einem Verbrennungszyklus oder vorzugsweise
mehr als einem Verbrennungszyklus abgeschaltet, so wird ausschließlich Frischluft
durch sämtliche
Zylinder C1 mit C4 des Verbrennungsmotors CE gepumpt.
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Dies
bedeutet, das heißes
Restgas, welches für
die Initiierung der CAI-Verbrennung Voraussetzung ist, im Brennraum
desjenigen Zylinders fehlt, der sich im Ausstoßungstakt befindet, und für den der nächste Verbrennungsprozess
geplant ist. Damit wäre
ein Wiedereinsetzen in den befeuerten Verbrennungsbetrieb des CAI-Verbrennungsmodus nicht
unmittelbar möglich,
sondern es wäre
ein Umweg über
den fremdgezündeten
SI-Betriebmodus notwendig.
Ein derartiger Wechsel bzw. ein derartiges Umschalten vom CAI-Betriebsmodus
in den SI-Betriebsmodus
nach einer Schubabschaltphase wäre
jedoch ansteuerungstechnisch aufwendig, schaltfehlerträchtig sowie
ineffizient. Insbesondere gingen Vorteile des CAI-Betriebsmodus
wie hoher Verbrennungswirkungsgrad sowie gleichzeitig geringe NOx-Emissionen
verloren.
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Um
nun der ottomotorischen Verbrennungskraftmaschine eine direkte Wiederaufnahme
des CAI-Betriebsmodus nach einer Schub abschaltphase- ohne ein Zurückwechseln
in den SI-Betriebsmodus – zu ermöglichen,
wird
- – der
CAI-spezifische Ventilhub für
die Gasauslassventile der Zylinder des Verbrennungsmotors auch während dessen
Schubabschaltphase beibehalten,
- – auf
ein Anforderungssignal zum Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus
hin nach dem Schließzeitpunkt
der ein oder mehreren Gasauslassventile desjenigen Zylinders, der
sich am Ende der jeweiligen Schubabschaltphase im Ausstoßungstakt
seines Verbrennungszyklus befindet, in dessen Brennkammer eine Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge
als Kraftstoff-Nebeneinspritzung zur Erzeugung eines zündfähigen Luft-/Kraftstoffgemisches
eingespritzt,
- – das
vorab erzeugte Luft-/Kraftstoffgemisch in der nachfolgenden CAI-Zwischenkompressionsphase
des Ausstoßungstakts
dieses Zylinders durch eine Zündvorrichtung
fremdgezündet
und verbrannt, wodurch heißes
Abgas in der Brennkammer dieses Zylinders gebildet wird,
- – im
anschließenden
Ansaugtrakt dieses Zylinders Frischluft über die ein oder mehreren Gaseinlassventile
in die Brennkammer dieses Zylinders angesaugt,
- – im
nachfolgenden Kompressionstrakt dieses Zylinders eine Kraftstoff-Haupteinspritzmenge
in die Brennkammer dieses Zylinders in einer Hauptkompressionsphase
eingespritzt,
- – und
der aus der früheren
Kraftstoff-Nebeneinspritzung bewirkte Abgasinhalt dieses Zylinders mit
dem für
die Haupteinspritzung neu eingebrachten Luft-/Kraftstoffgemisch zu einem CAI selbstzündfähigen, homogenen
Frischluft-Abgas-Kraftstoffgemisch vermischt.
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Diese
Strategie zum direkten Wiedereinsetzen in den CAI-Betriebsmodus nach
einer Schubabschaltphase wird mit Hilfe des beispielhaften Zylinderinnendruckdiagramms
von 1 näher
erläutert. Entlang
der Abszisse ist der Kurbelwellenwinkel CA in Grad [°] aufgetragen.
Den Ordinaten dieses Diagramms ist der Zylinderinnendruck CP in
der Einheit bar zugeordnet. Der fortlaufende Kurbelwellenwinkel CA
entspricht dabei einer fortlaufenden Zeit t (siehe auch 2).
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Nachdem
der Verbrennungsmotor CE in den CAI-Betriebsmodus während der
Zeitspanne VCAI gebracht worden ist, erfolgt zum Zeitpunkt tSA eine Schubabschaltung
für den
Verbrennungsmotor CE. Dies bedeutet, dass kein Kraftstoff mehr durch
die Injektoren IV1 mit IV4 in die Brennkammern der Zylinder C1 mit
C4 direkt eingespritzt wird. Während
dieser Schubabschaltphase FCO für
mindestens einen Taktzyklus des jeweiligen Zylinders wie hier z.
B. C1 wird in dessen Brennkammer ausschließlich Frischluft über das
Gaseinlassventil hineingepumpt und im Ausstoßungstakt herausgestoßen. Dies
bedeutet, dass die Brennkammer des jeweiligen Zylinders mit Frischluft
gespült
worden ist und Restgas, welches für die Initiierung der CAI-Verbrennung erforderlich ist,
nun in der Brennkammer des jeweiligen Zylinders fehlt. In der 1 ist
der Zylinderinnendruckverlauf für
denjenigen Zylinder des Verbrennungsmotors CE über zwei Taktzyklen dargestellt,
der sich am Ende der Schubabschaltphase FCO im Ausstoßungstakt eines
Arbeitszyklus befindet. Hier im Ausführungsbeispiel ist dies beispielsweise
der Zylinder C1. Während
eines ersten Arbeitszyklus CY1 wird zwischen den Kurbelwellenwinkeln
CA = –360° Grad bis –180° Grad der
Ansaugtakt dieses Arbeitszyklus durchgeführt. Dabei wird etwas zeitlich
versetzt nach dem oberen Totpunkt des Kolbens dieses Zylinders dessen
Gaseinlassventil geöffnet
und etwas zeitlich versetzt nach dem unteren Totpunkt des Kolbens
dieses Zylinders wieder geschlossen. Diese Ventilerhebungskurve
des Gaseinlassventils AI1 ist in der 1 mit IVL1
bezeichnet. Nach dem unteren Totpunkt des Kolbens des Zylinders
C1 wird nach dem Schließen
des Gaseinlassventils AI1 der Innendruck dieses Zylinders bis zum
Kurbelwellenwinkel CA = 0° Grad
im Kompressionstakt erhöht.
Während
dieses Kompressionstaktes zwischen den Kurbelwellenwinkeln CA = –180° Grad und
0° Grad
bewegt sich der Kolben dieses Zylinders vom unteren Totpunkt zu
seinem oberen Totpunkt und bewirkt dadurch eine Hauptkompression
der in seiner Brennkammer befindlichen Luft, da sowohl das Gaseinlassventil
als auch das Auslassventil dieses Zylinders geschlossen sind. Während der
Schubabschaltphase FCO findet dabei keine Verbrennung statt, da
sich in der Brennkammer dieses Zylinders ausschließlich Luft
befindet oder eine für
den CAI-Verbrennungsvorgang
zu geringe Restgasrate. Im nachfolgenden Arbeitstakt zwischen den
Kurbelwellenwinkeln CA = 0° Grad
und 180° Grad
bewegt sich der Kolben dieses Zylinders von seinem oberen Totpunkt
zu seinem unterem Totpunkt und entspannt dabei die darin eingeschlossene Luftmenge.
Es wird schließlich
noch vor dem unteren Totpunkt bei CA = 180° Grad das Gasauslassventil dieses
Zylinders geöffnet
und im nachfolgenden Ausstoßungstakt
(Kurbelwellenwinkelbereich CA = 180°–360°) nach dem Kurbelwellenwinkel
CA = 180° Grad
die Luft aus diesem Zylinder herausgepresst. Während der Schubabschaltphase
wird der CAI-spezifische, kleinere Ventilhub für das Gasauslassventil und
das Gaseinlassventil dieses Zylinders beibehalten. Dadurch schließt das Gasauslassventil
dieses Zylinders, bevor der Kolben dieses Zylinders seinen oberen
Totpunkt bei CA = 360° Grad
erreicht. Es kommt dadurch zu einer für den CAI-Betriebsmodus typischen Zwischenkompression
im Ausstoßungstakt.
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Wird
nun zum Zeitpunkt tDC mittels eines Anforderungssignals TR des Steuergeräts ECU des Verbrennungsmotors
CE der Wiedereintritt in den CAI-Verbrennungsbetrieb MCAI angefordert,
so wird nach dem Schließzeitpunkt
tS der ein oder mehreren Gasauslassventile desjenigen Zylinders
wie hier z. B. C1, der sich am Ende der jeweiligen Schubabschaltphase
FCO im Ausstoßungstakt
seines Verbrennungszyklus befindet, in dessen Brennkammer eine Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge
FUV als Kraftstoff-Nebeneinspritzung AI zur Erzeugung eines zündfähigen Hilfs-Luft-/Kraftstoffgemisches
eingespritzt und in der nachfolgenden CAI-Zwischenkompressionsphase
IC des Ausstoßungstakts
dieses Zylinders durch eine Zündvorrichtung
wie hier z. B. SP1 fremdgezündet
und verbrannt. Diese Hilfseinspritzung in der Zwischenkompressionsphase
IC in der Zeitspanne zwischen dem Schließzeitpunkt tS der ein oder
mehreren Gasauslassventile EV1 des Zylinders C1 und dem Ende dessen
Ausstoßungstakts
bei CA = 360° Grad
bewirkt ein fremdzündfähiges Hilfs-Luft-/Kraftstoffgemisch,
durch dessen Fremdzündung ein
heißes
Abgas in der Brennkammer dieses Zylinders C1 bereitgestellt wird.
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Nach
dem oberen Totpunkt COT des Kolbens in der Brennkammer dieses Zylinders
am Ende der Zwischenkompressionsphase IC folgt der nächste Ansaugtakt
zwischen den Kurbelwellenwinkeln CA = –360° Grad und –180° Grad des nächsten Arbeitszyklus CY2. Dabei
wird zeitlich versetzt zum oberen Todpunkt COT wiederum das Gaseinlassventil
AI1 dieses Zylinders C1 zur Ansaugung von Frischluft geöffnet. Die
Einlassventilerhebungskurve des Gaseinlassventils ist wiederum mit
IVL1 bezeichnet. Sie entspricht dem CAI-kleineren Ventilhub. Während des nachfolgenden
Kompressionstakts zwischen den Kurbelwellenwinkeln CA = –180° Grad und
0° Grad erfolgt
mittels des Injektors IV1 des Zylinders C1 die Haupteinspritzung
MI einer Kraftstoff-Haupteinspritzmenge
FUH in die Brennkammer dieses Zylinders C1. Es wird also in der
Hauptkompressionsphase wie im regulären CAI-Verbrennungsbetrieb
eine Kraftstoffhauptmenge FUH durch den Injektor IV1 in die Brennkammer
des Zylinders C1 eingespritzt. Dabei wird der aus der früheren Kraftstoff-Nebeneinspritzung
bewirkte Abgasinhalt in der Brennkammer dieses Zylinders mit dem
für die
Haupteinspritzung neu eingebrachten Luft-/Kraftstoffgemisch zu einem CAI-selbstzündfähigen homogenen
Frischluft-/Abgaskraftstoffgemisch vermischt. Es kommt also zum Ende
der Hauptkompressionsphase hin zu einer Selbstzündung des insgesamt in der
Brennkammer dieses Zylinders vorhandenen Luft-/Kraftstoffgemisches,
so dass der CAI-Betrieb wieder aufgenommen werden kann. Die Wiederaufnahme
des CAI-Betriebs ist in der 1 mit einem
Zeitstrahl RE gekennzeichnet.
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Vorzugsweise
wird die Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge FUV für die Kraftstoffnebeneinspritzung in
der Zwischenkompressionsphase IC des jeweiligen Zylinders wie hier
z. B. C1, der sich am Ende der Schubabschaltphase FCO im Ausstoßungstakt
seines Verbrennungszyklus befindet, derart in die Brennkammer dieses
Zylinders C1 zugemessen, das sich beim Wiedereintreten in den CAI-Betriebsmodus MCAI
des Verbrennungsmotors CE nach der Haupteinspritzung zusammen mit
der dabei eingebrachten Kraftstoffhaupteinspritzmenge FUH ein im
wesentlichen stetiger Drehmomentenverlauf bewirkt wird. Dadurch
ist ein unerwünschtes
Ruckeln der Kurbelwelle des Motors weitgehend vermieden.
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Ggf.
kann es bereits genügen,
wenn im Anschluss an die jeweilige Schubabschaltphase FCO lediglich
für die
Gasauslassventile der Zylinder ein kleinerer CAI-spezifischer Ventilhub
beibehalten wird, hingegen für
die Gaseinlassventile der größere Ventilhub
gewählt
wird. Alternativ dazu kann es auch ausreichend sein, für den CAI-Betrieb
lediglich den Gaseinlassventilen der Zylinder einen kleineren Ventilhub
zuzordnen, während
für die
Gasauslassventile der größere Ventilhub
eingestellt wird.
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Zusammenfassend
betrachtet wird also in vorteilhafter Weise im Anschluss an die
jeweilige Schubabschaltphase FCO als CAI-spezifischer Ventilhub für die auslassseitigen
und/oder einlassseitigen Gaswechselventile der Zylinder C1–C4 ein
kleinerer Ventilhub als im SI-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors
CE gewählt.
Auch während
der eigentlichen Schubabschaltphase FCO wird in vorteilhafter Weise
für die
ein- und/oder auslassseitigen Gaswechselventile derselbe CAI-spezifisch
kleinere Ventilhub wie vorher im regulären CAI-Motorbetrieb beibehalten.
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Die 2 veranschaulicht
anhand eines Ablaufdiagramms eine vorteilhafte Strategie zum direkten
Wiedereinsetzen in den CAI-Betrieb nach einer Schubabschaltphase,
wie sie in der Steuer-Ablauflogik LO (siehe 3) des Motorsteuergeräts ECU von 3 in
vorteilhafter Weise durchgeführt
wird. Im Schritt CM stellt die Steuer-Ablauflogik LO einen Übergang
bzw. Wechsel vom CAI-Betriebsmodus CAI_MOD in eine Schubabschaltphase
PUC („Pull Fuel
Cut OFF"="stelle Kraftstoffzufuhr
aus") fest. Daraufhin überprüft sie im
Schritt TD, ob die Drehzahl N der Kurbelwelle CS unter eine Schwelle
bzw. eine Untergrenze N_CAI_MIN fällt, unterhalb der der CAI-Betriebsbereich verlassen
wird und nicht mehr möglich
ist.
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Wird
diese CAI-Schwelle für
die Drehzahl N unterschritten, so aktiviert die Steuer-Ablauflogik
LO den SI-Modus („spark
ignited” =
fremd gezündeter Betrieb).
Ggf. wird ein frühes
Einlassschließen
der Gaseinlassventile im Schritt EIC ausgelöst. Dadurch kann die Drosselvorrichtung
TH für
niedrige Drehzahlen weitgehend offen gelassen werden, so dass Drosselverluste
weitgehend vermieden sind. Der Wechsel zum frühen Einlassschließen ist
im Schritt EIC mit „switch
to EIC MOD" bezeichnet,
was ein Akronym für „switch
to early inlet closing mode" ist. Danach
aktiviert die Steuer-Ablauflogik LO einen Übergang zum Leerlauf bzw. Teillastbetriebs
im Schritt TI. Sie führt
also den Motorbetriebszustand in den Leerlauf-Motorzustand ENG_STATE_IS oder in den
Teillastbetriebszustand ENG_STATE_PL über.
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Beim Übergang
vom CAI-Modus in die Schubabschaltphase belegt die Steuer-Ablauflogik
LO im Schritt ES die logische Variable LV_ES_PUC für die Schubabschaltung
anstelle einer 1 mit einer logischen 0. Im Gegenzug setzt sie die
logische Variable LV_ES_PL von einer logischen 0 auf eine logische
1 zur Kennzeichnung des Leerlaufs oder Teillastbetriebs.
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Fordert
nun ein Fahrer des Kraftfahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor CE zeitlich
später
in der Schubabschaltphase ein bestimmtes Motordrehmoment durch Gasgeben,
insbesondere Betätigen
des Gaspedals PEV (siehe 3) an, so wird dem Motorsteuergerät ECU mittels
des Steuersignals TR daraufhin signalisiert, dass ein Wiedereintreten
in den vor der Schubabschaltphase vorliegenden CAI-Betriebsmodus
gewünscht
wird. In der 2 wird im Schritt TRI der aktuelle
Pedalwert in einen dazu korrespondierenden Drehmoment-Anforderungswert umgerechnet
und überprüft, ob die
aktuelle Drehmomentanforderung einen CAI-Betriebsmodus erlaubt. Ist
dies der Fall, so wird eine Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge FUV in
der Zwischenkompression desjenigen Zylinders, der sich am Ende der
Schubabschaltphase im Ausstoßungstakt
seines Verbrennungszyklus befindet nach dem Schließzeitpunkt dessen
Gasauslassventils mit Hilfe seines Injektors eingespritzt. Dies
ist in der Fi gur 2 durch den Schritt AI gekennzeichnet. Dort heißt es in
Akronymsprache „Inject
MFF_CAI_INTERIM after AS",
was bedeutet, dass in einer Nebeneinspritzung eine Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge
MFF („mass
fuel flow") während der „CAI_INTERIM" (CAI-Zwischenkompression)
nach Auslass schließt
(AS) durchgeführt
wird. Dann wird in der Zwischenkompression im Schritt IG diese Vorabeinspritzmenge
FUV, die sich mit der in der Brennkammer vorhandenen Luft durchmischt
hat, durch eine Zündvorrichtung
fremdgezündet.
Dies ist in der 2 im Schritt IG durch das Akronym „Ignite
air/fuel mixture at CA_CAI_INTERIM" gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass
kurz vor dem oberen Totpunkt der Zwischenkompression eine Fremdzündung des
in der Brennkammer dieses Zylinders vorhandenen Luft-Kraftstoff-Vorabeinspritzmengengemisches
bewirkt wird. Dadurch verbleibt ein Restgas an verbranntem Luft-Kraftstoffgemisch
nach dem Ausstoßungstakt
in der Brennkammer dieses Zylinders und es kann zum regulären CAI-Betriebsmodus übergegangen
werden. Dazu wird im nachfolgenden Kompressionstakt lediglich noch
eine Haupteinspritzmenge („Inject
MFF_CAI" im Schritt
MI) an Kraftstoff durch mindestens einen Injektor in die Brennkammer dieses
Zylinders eingespritzt. Es wird also der aus der früheren Kraftstoff-Nebeneinspritzung
bewirkte Abgasinhalt dieses Zylinders mit dem für die Haupteinspritzung neu
eingebrachten Luft-Kraftstoffgemisch zu einem CAI-selbstzündfähigen, homogenen Frischluft-Abgasgemisch
vermischt. Dies ist in der 2 durch
den Schritt MI gekennzeichnet. Es folgt anschließend der Wechsel in den CAI-Betriebsmodus MCAI
durch den Steuerbefehl „Activate CAI_Mode".
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Um
nach einer Schubabschaltphase die Rückkehr in den vor der Schubabschaltphase
vorliegenden CAI-Betriebsmodus ohne Umweg über den fremdgezündeten SI-Betriebsmodus
zu ermöglichen, wird
in der Brennkammer desjenigen Zylinders, der sich am Ende der Schubabschaltphase
im Ausstoßungstakt
seines Verbrennungszyklus befindet, unmittelbar nach Schließende seines
Auslassventils in der Zwischenkompressionsphase im Auslasstakt zu der
in der Brennkammer befindlichen Frischluftmenge eine bestimmte Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge derart
eingespritzt, dass ein fremdzündfähiges Luft-Kraftstoffgemisch
entsteht, das in der anschließenden
Zwischenkompressionphase, d. h. im eigentlichen Ladungswechseltotpunkt
mit einer Zündvorrichtung,
insbesondere Zündkerze
fremdgezündet und
verbrannt werden kann. Im anschließenden Ansaugtakt dieses Zylinders
strömt
Frischluft über
dessen Gaseinlassventil in die Brennkammer, durchmischt sich mit
dem heißen
Abgas aus der eingefügten
Fremdzündung
in der Zwischenkompressionsphase und bildet durch Einbringung einer
Hauptkraftstoffmenge schließlich
eine CAI-fähiges
homogenes Luft-Kraftstoffgemisch, das unmittelbar in der folgenden
Hauptkompressionsphase zur Selbstentflammung gebracht wird. So erfolgt
der direkte Wiedereintritt in den CAI-Betriebsmodus nach Schubabschaltung.
Zweckmäßiger Weise
wird die zeitliche und mengenmäßige Einbringung
der Kraftstoff-Vorabeinspritzmenge als Nebeneinspritzung und die
Kraftstoff-Haupteinspritzmenge als Haupteinspritzung derart aufeinander
abgestimmt, dass Drehmomentsprünge
weitgehend vermieden sind, d. h. dass ein weitgehend stetiger Drehmomentenverlauf
bewirkt wird. Dadurch lässt
sich nach einer Schubabschaltung eine weitgehend weiche, im Wesentlichen
ruckfreie Rückkehr
bzw. Wiederaufnahme in den befeuerten CAI-Betrieb bewirken. Das
direkte Wiedereinsetzen in den CAI-Betrieb nach einer Schubabschaltung kann
selbstverständlich
nur dann realisiert werden, wenn der sich nach dem Wiedereinsetzen
einstellende Motorbetriebspunkt last- und drehzahlmäßig im CAI-Modus
darstellbar ist. Fällt
die Drehzahl durch die Schubabschaltung soweit ab, dass z. B. Leerlaufbetrieb
zu erwarten ist, bzw. ein CAI-Betrieb nicht mehr möglich ist,
erfolgt die Umschaltung zweckmäßigerweise
in den fremdgezündeten
SI-Betriebsmodus.
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Vorteilhaft
ist insbesondere bei dieser Strategie zum direkten Wiedereinsetzen
in den CAI-Betriebsmodus nach einer Schubabschaltung, dass nach
der Schubabschaltung der CAI-Betrieb
wieder unmittelbar aufgenommen werden kann und kein Umweg über den
fremdgezündeten
SI-Betrieb mit entsprechender Ventilhubumschaltung notwendig ist. Eine
derartige Ventilhub umschaltung wäre
nämlich ansteuerungstechnisch
aufwendig, würde
die Gefahr von Umschaltfehlern in sich bergen, was Ruckeln nach
sich ziehen und das CAI-Potenzial schmälern würde. Da die Laststeuerung des
CAI-Betriebsmodus in erster Linie über Kraftstoffmenge und Einspritzphasing
erfolgt, bedarf es keiner Androsselung über die Drosselklappe. Sie
kann daher in vorteilhafter Weise während der Schubabschaltung
geöffnet bleiben,
was sich während
der Schubabschaltphase positiv auf das Fahrverhalten auswirkt, da
das Motorbremsmoment sehr gering ist und das Fahrzeug ohne Kraftstoffbedarf
entsprechend lange bei nur geringem Drehzahlabfall ausrollen kann.
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Darüber hinaus
lässt sich
diese Wiedereinsetzstrategie in den CAI-Betriebsmodus nach einer Schubabschaltung
ggf. auch auf sonstige Verbrennungsmotoren übertragen, die einen CAI-betriebsähnlichen
Motorbetrieb aufweisen.