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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine mit einer Aufladeeinrichtung.
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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 zugutekommt. 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 Momentenwunsch 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 wesentlich 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 Abhängigkeit 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 ein 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.