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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer direkteinspritzenden
Otto-Brennkraftmaschine mit einer Aufladeeinrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derzeit
sind bereits mehrere Fahrzeuge mit Otto-Saugmotoren mit Direkteinspritzung
erhältlich, die
in einem Magerbetrieb betrieben werden können. Im Magerbetrieb wird
vergleichsweise wenig Kraftstoff erst kurz vor dem Zündzeitpunkt
in den Zylinder eingespritzt. Zum Zeitpunkt der Zündung bildet
sich so im Umfeld der Zündkerze
ein zündfähiges Verbrennungsgemisch.
Das Gemisch im Brennraum ist nicht gleichmäßig verteilt (homogen) sondern
lokal unterschiedlich. Es liegt eine Gemischschichtung vor. Man
spricht deshalb auch vom „geschichteten
Magerbetrieb” oder „Schichtbetrieb.
Das globale Luft-Kraftstoffverhältnis
(Lambda) im Brennraum ist dabei größer 1 – üblicherweise im Bereich 1,4 < λ < 6. Somit wird im
Magerbetrieb nur sehr wenig Kraftstoff verbraucht. Derartige Magerbetriebstechnologien
sind jedoch nur bis zu einer gewissen Lastgrenze einsetzbar. Wird
eine höhere
Last angefordert, muss vom Magerbetrieb in den verbrauchsschlechteren Homogenbetrieb
gewechselt werden.
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Daneben
gibt es auch direkteinspritzende Otto-Motoren mit Turboladern, die
jedoch nur im Homogenbetrieb betrieben werden. Während des Homogenbetriebs wird
der Kraftstoff bereits kurz nach Beginn des Verdichtungstakts eingespritzt,
so dass zum Zündzeitpunkt
aufgrund der (im Verhältnis
zur einzuspritzenden Kraftstoffmenge im Magerbetrieb) relativ großen Menge
an eingespritztem Kraftstoff im gesamten Zylinder ein zündfähiges Verbrennungsgemisch
vorliegt. Das globale Lambda ist dabei ca. 1. Der Anteil an Kraftstoff
und Luft im Brennraum des Zylinders ist im Homogenbetrieb in etwa
gleich groß. Demnach
ist das Verbrennungsgemisch im Magerbetrieb mit deutlich mehr Luft
angereichert als im Homogenbetrieb.
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Da
Otto-Saugmotoren durch die maximal ansaugbare Luft hinsichtlich
ihrer Volllastwerte (Drehmoment und Leistung) begrenzt sind, und
aufgeladene Otto-Motoren ein deutlich besseres Volllastverhalten
aufweisen, da die Aufladeeinrichtung zusätzliche Luft für die Verbrennung
zur Verfügung
stellen kann, sind bereits Überlegungen
angestellt worden, die Magerbetriebstechnologie mit einem aufgeladenen Otto-Motor
zu verbinden. Dabei soll die Aufladung mittels Aufladeeinrichtung
dazu dienen, den mageren Betriebsbereich des Motors zu höheren Lasten hin
auszudehnen, was wiederum dem Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs
zugute kommt. Bei sehr hohen Lasten muss jedoch weiterhin in den
Homogenbetrieb gewechselt werden, um entsprechendes Antriebsmoment
zur Verfügung
stellen zu können.
Diese Kombination aus Magertechnologie und Aufladung wird auch als
Ersatz von hubraumstärkeren Saugmotoren
durch aufgeladene Motoren mit relativ kleinem Hubraum diskutiert.
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Im
Instationärfall,
also bei Lasterhöhung,
die einen Homogenbetrieb erfordert, kann bei aufgeladenen Otto-Motoren
mit Direkteinspritzung der Momen tenwunsch des Fahrers vom aufgeladenen
Motor jedoch nicht sofort umgesetzt werden, da die zur Verbrennung
erforderliche Luftmenge aufgrund der Trägheit der Aufladeeinrichtung
und der Sauganlage dem Momentenwunsch nur verzögert folgen kann. Die Aufladeeinrichtung
bzw. der Lader muss im Homogenbetrieb erst beschleunigt werden,
was sich in einer begrenzten Drehmomentenaufbaugeschwindigkeit bemerkbar
macht – im
Extremfall als sog. Turboloch. Dieses unerwünschte Verhalten kann zwar durch
eine spezielle Auslegung der Aufladeeinrichtung verbessert werden,
allerdings sind der Auslegung durch die Grenzen bei der Gestaltung
der Aufladeeinrichtung Grenzen gesetzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung einer mit Direkteinspritzung
und Aufladeeinheit ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine, die im
Magerbetrieb betrieben werden kann, anzugeben, durch das die Hochlaufdynamik
verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung geht von einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine
mit einer Aufladeeinrichtung aus. Die Aufladeeinheit dient – wie bereits eingangs
beschrieben – zur
Erhöhung
des in den Zylinder einströmenden
Luftmassenstroms, indem die Luft aktiv in das Saugrohr bzw. in den
Zylinder hineingedrückt
wird. Dadurch kann im Gegensatz zu Otto-Saugmotoren ohne Aufladeeinrichtung
bei gleichen Betriebspunkten wesentlich mehr Luft in den Zylinder
gedrückt
werden. Diese direkteinspritzende und aufgeladene Otto-Brennkraftmaschine
soll in einem Magerbetrieb und in einem Homogenbetrieb betreibbar
sein, wobei sich im Magerbetrieb das Verbrennungsgemisch aus wesentlich
mehr Luft als Kraftstoff zusammensetzt (Lambda > 1), und im Homogenbetrieb das Verhältnis zwischen
Kraftstoff und Luft innerhalb gewisser Grenzen gleich ist (Lambda
= 1). Im Magerbetrieb wird somit mit we sentlich mehr Luft gefahren
als im stöchiometrischen
Homogenbetrieb, wobei der erforderliche Luftmassenstrom durch die
Aufladeeinrichtung zur Verfügung
gestellt werden kann. Im Magerbetrieb wird die als Lader ausgebildete
Aufladeeinrichtung mit einer deutlich höheren Drehzahl als im Homogenbetrieb
betrieben, wodurch sich die Aufladeeinrichtung in einem anderen
Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad befindet.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der erhöhte Luftmassenstrom
und die erhöhte Drehzahl
der Aufladeeinrichtung im Magerbetrieb schon bei niedrigen Lastpunkten
im aufgeladenen Betriebsbereich zur Verfügung stehen, d. h. der Turbolader
wird bei gleicher Last im Vergleich zum Homogenbetrieb mit einer
höheren
Drehzahl betrieben. Eine Lasterhöhung
kann dadurch im Magerbetrieb deutlich schneller umgesetzt werden,
als im stöchiometrischen
Homogenbetrieb, da die erforderliche, zeitbehaftete Luftmengenerhöhung bzw.
Erhöhung der
Laderdrehzahl sehr viel kleiner ausfallen muss.
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Um
diesen Effekt nutzen zu können,
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bei einer angeforderten Lasterhöhung,
die einen Betrieb der Otto-Brennkraftmaschine
im Homogenbetrieb erforderlich macht, bei anfänglichem Magerbetrieb in einem ersten
Schritt lediglich die Kraftstoffmenge erhöht. Der Luftmassenstrom soll
vorerst konstant bleiben oder zumindest nicht kleiner werden. Falls
möglich, kann
der Luftmassenstrom währenddessen
auch schon erhöht
werden. Durch die Erhöhung
der Kraftstoffmenge bei gleichbleibendem Luftmassenstrom wird das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
welches allgemein als Lambda bezeichnet wird, kleiner. Die dem Brennraum
zugeführte
Kraftstoffmenge wird bis zu einem vorgegebenen Kraftstoffgrenzwert
erhöht,
der vorteilhafterweise in Abhängigkeit
von der Brenngrenze des Verbrennungsgemisches vorgegeben wird, d.
h. die eingespritzte Kraftstoffmenge darf maximal bis zum Erreichen
der Brenngrenze erhöht
werden. Vorteilhafterweise kann der Kraftstoffgrenzwert demnach
auch in Abhängig keit
vom sich einstellenden Luft-Kraftstoffverhältnis vorgegeben werden, idealerweise
derart, dass sich ein Luft-Kraftstoffverhältnis von ca. 1 einstellt.
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Erst
wenn die Brenngrenze erreicht bzw. nahezu erreicht ist, wird in
einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Brennverfahren
in den Homogenbetrieb überführt, d.
h. die Einspritzstrategie wird an die den Homogenbetrieb kennzeichnende
Einspritzstrategie angepasst. Wie bereits eingangs dargestellt,
ist die Einspritzstrategie des Homogenbetriebs dadurch gekennzeichnet,
dass der für
die Verbrennung notwendige Kraftstoff kurz nach Beginn des Verdichtungstaktes – häufig mittels
einer einzelnen Einspritzung – in
den Brennraum des Zylinders eingespritzt wird. Da sich aufgrund
der vorangegangenen Erhöhung
der Kraftstoffmenge im Magerbetrieb (oder in einer Zwischenbetriebsart)
bei gleicher Luftmenge bereits eine Lasterhöhung eingestellt hat, muss
nach dem Umschalten im Homogenbetrieb nur noch eine geringere Lasterhöhung durch
Erhöhung
der Luftmenge (und der Kraftstoffmenge) vorgenommen werden (z. B.
durch Erhöhung
des Ladedrucks der Aufladeeinrichtung). Da die Steigerung der Kraftstoffmasse
speziell bei direkteinspritzenden Motoren zu keiner oder zu nahezu
keiner Verzögerung
führt,
kann der angeforderte neue Betriebspunkt im Gegensatz zu einem Verfahren,
bei dem bei angeforderter Lasterhöhung sofort in den Homogenbetrieb
gewechselt wird, somit wesentlich schneller erreicht werden.
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Falls
während
der Erhöhung
des Kraftstoffanteils während
des ersten Schritts ein geschichteter Magerbetrieb der Otto-Brennkraftmaschine
nicht mehr möglich
ist oder sinnvoll erscheint, kann während der Erhöhung des
Kraftstoffanteils auch in eine andere Art des Magerbetriebs (z.
B. in den sogenannten Homogen-Schicht-Betrieb oder in den homogenen
Magerbetrieb) gewechselt werden. Diese andere Art des Magerbetriebs
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie den mageren Betrieb auch bei Luftverhältnissen
zulässt,
die nahe an λ =
1 heranreichen (1 < λ < 1,8). Ein Wechsel
in den stöchiometrischen
Homogenbetrieb findet jedoch erst dann statt, wenn durch die Erhöhung der
Kraftstoffzufuhr die Brenngrenze des Verbrennungsgemisches zumindest
nahezu erreicht ist, da dann nur noch eine geringere Drehzahlerhöhung des
Turboladers im Homogenbetrieb notwendig ist, und sich die begrenzte Drehmomentenaufbaugeschwindigkeit
nicht oder nur gering bemerkbar macht.
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Um
eine möglichst
schnelle Erhöhung
der in den Brennraum des Zylinders einströmenden Luftmasse zu ermöglichen,
kann zusätzlich
ein in der Aufladeeinrichtung angeordnetes Bypassventil (Wastegate),
welches im geöffneten
Zustand zu einer Reduzierung des maximal möglichen Ladedrucks führt, geschlossen
werden. Weiter können
zur Verbesserung der Hochlaufdynamik auch die Ansteuerung eines
vorhandenen Abgas-Rückführungssystem,
des Abgassystems, und/oder des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffrails
beeinflusst werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
sowie dessen vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten
Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in einem
dafür vorgesehenen
Steuergerät,
insbesondere in einem Motorsteuergerät durchgeführt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige Fig. ein Diagramm zur Darstellung der Verbesserung
der Hochlaufdynamik bei einem angeforderten Lastwechsel einer direkteinspritzenden
Otto-Brennkraftmaschine mit einem Turbolader.
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In
dem dargestellten Diagramm ist über
die Rechtswertachse das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Verbrennungsgemisches,
und auf der Hochwertachse die Last, repräsentiert durch die effektive
spezifische Arbeit we aufgetragen. Die Otto-Brennkraftmaschine
kann in den drei Betriebsarten Magerbetrieb (auch Schichtbetrieb
genannt) SCH, Homogen-Schicht-Betrieb HOS und Homogenbetrieb HO mit
unterschiedlichen Luft-Kraftstoffverhältniss- Bereichen betrieben werden. So kann
im Homogenbetrieb HO ein Luft-Kraftstoffverhältnis λ bis ca.
1,1, im Homogen-Schichtbetrieb HOS ein Luft-Kraftstoffverhältnis λ von ca. 1 bis ca. 1,8, und
im Magerbetrieb SCH Luft-Kraftstoffverhältnis λ ab ca. 1,6
eingestellt werden. Wie im Diagramm dargestellt, können sich die
Bereiche an den jeweiligen Grenzen überlappen.
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Die
im Diagramm schräg
verlaufenden Linien kennzeichnen die Bereiche mit konstantem Luftdruck
p im Saugrohr bzw. mit konstantem Luftmassenstrom, d. h. entlang
einer Linie ist die in den Brennraum eines Zylinders einströmende Luftmenge konstant.
Die etwas dicker dargestellte schräg verlaufende Linie ps kennzeichnet
die Grenze an dem der aktuelle Luftdruck ps im Saugrohr dem Umgebungsdruck
pu entspricht. Demnach herrscht im Saugrohr unterhalb dieser Linie
ps = pu Unterdruck und über
dieser Linie Überdruck,
der aufgrund der als Turbolader ausgestalteten Aufladeeinrichtung
erzeugt werden kann. Mittels der Linie pmax ist der durch den Turbolader
maximal zu erreichende Ladedruck dargestellt.
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Ausgehend
vom Betriebpunkt 1 soll nun aufgrund einer entsprechend angeforderten
Lasterhöhung
der Betriebspunkt bzw. Lastpunkt 3 erreicht werden, bei dem ein
Betrieb der Otto-Brennkraftmaschine im Homogenbetrieb erforderlich
ist. Während des
Betriebspunktes 1 befindet sich die Otto-Brennkraftmaschine noch im Magerbetrieb
SCH und der erforderliche Luftmassenstrom wird in diesem Betriebspunkt
1 durch den Turbolader zur Verfügung
gestellt werden.
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Bei
einer konventionellen Otto-Brennkraftmaschine, die lediglich im
Homogenbetrieb betreibbar ist, würde
sich die Otto-Brennkraftmaschine bei gleicher Ausgangslast aufgrund
des hier vorliegenden Brennverfahrens nicht im Betriebspunkt 1,
sondern im Betriebspunkt 2a befinden. Um den gewünschten höheren Lastpunkt 3 erreichen
zu können,
müsste
nun die Drehzahl des Turboladers erhöht werden, was aufgrund der
Trägheit
des Systems nur zeitverzögert
stattfinden könnte,
da der Turbolader nun erst beschleunigt werden muss. Da lediglich eine
Erhöhung
des Luftmassenstroms, die durch den Turbolader vorgenommen werden
muss, aufgrund der begrenzten Drehmomentenaufbaugeschwindigkeit
des Turboladers für
die zeitliche Verzögerung beim
Einstellen einer höheren
Last ausschlaggebend ist, kann diese Luftdruckdifferenz ΔStdT zwischen Umgebungsdruck
pu und dem zu erreichendem Luftdruck als Maß für die zeitliche Verzögerung herangezogen
werden.
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Aufgrund
der Erkenntnis, dass im Magerbetrieb SCH die Drehzahl des Turboladers
gegenüber dem
Homogenbetrieb HO bei gleicher Last deutlich erhöht ist und sich dieser demnach
in einem Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad befindet, wird
bei einer angeforderten Lasterhöhung
aus dem Betriebspunkt 1 gemäß dem neuen
Verfahren nicht sofort in den Homogenbetrieb HO geschaltet, sondern
erst die Kraftstoffmenge bei konstantem Luftdruck p bis zur Brenngrenze
erhöht.
Es stellt sich ein Luft-Kraftstoffverhältnis λ ein, das
mit steigender Kraftstoffmenge kleiner wird, bis es einen Wert von
ca. 1,0 erreicht. Dadurch stellt sich ohne Verzögerung (eine Erhöhung der
Kraftstoffmenge ist quasi ohne zeitliche Verzögerung möglich) der Betriebspunkt 2b
ein, der bereits auf einem höheren
Lastniveau ist als der Betriebspunkt 1. Während der Erhöhung der
Kraftstoffmenge kann die Otto-Brennkraftmaschine nur bis zu einem
gewissen Lastbereich L_max in SCH im Magerbetrieb betrieben werden,
so dass ab diesem Punkt eine Umschalten vom Magerbetrieb SCH in den
Homogen-Schichtbetrieb HOS erfolgen muss. Innerhalb dieser Betriebsart
HOS kann die Otto-Brennkraftmaschine
bis zur Brenngrenze bei λ = 1,0
betrieben werden.
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Ist
aufgrund der Kraftstofferhöhung
die Brenngrenze erreicht (Betriebspunkt 2b), wird vom Homogen-Schichtbetrieb
HOS in den Homogenbetrieb HO umgeschaltet. Analog zu oben muss nun zum
Erreichen des Endbetriebspunktes 3 noch die Drehzahl des Turboladers
erhöht
werden. Da aber im Betriebspunkt 2b bereits ein wesentlich höherer Luftdruck
im Saugrohr vorliegt, als im Betriebspunkt 2a, ist im Vergleich
zum Stand der Technik nur noch eine geringere Beschleunigung des
Turboladers zum Erhöhen
der Luftmasse notwendig. Die Luftdruckdifferenz ΔErf zwischen Umgebungsdruck
und dem zu erreichendem Luftdruck ist hier wesentlich kleiner als bei
dem zuvor erläuterten
Verfahren. Demnach ist auch die zeitliche Verzögerung, bis der angeforderte Lastpunkt
3 erreicht wird, wesentlich kleiner.
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Mittels
dieses Verfahrens zur Steuerung einer direkteinspritzenden, aufgeladenen
Otto-Brennkraftmaschine bei einer angeforderten Lasterhöhung während des
Magerbetriebs kann die Hochlaufdynamik wesentlich verbessert werden,
da die Drehmomentenaufbauzeit bei einer definierten Lasterhöhung signifikant
kürzer
ist als im stöchiometrischen
Betrieb. Dies kann bis zu 1 Sekunde schneller erfolgen.