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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer direkteinspritzenden
Otto-Brennkraftmaschine 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. Während des Magerbetriebs wird die Kraftstoffeinspritzung
in den Zylinder erst kurz vor dem Zündzeitpunkt vorgenommen,
so dass sich zum Zeitpunkt der Zündung trotz einer sehr
geringen Menge an eingespritztem Kraftstoff ein zündfähiges
Verbrennungsgemisch um die Zündkerze bildet. 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 Homogenbe triebs wird die Kraftstoffmenge 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. 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. Durch diese Kombination
aus Magertechnologie und Aufladung sollen insbesondere hubraumstärkere Saugmotoren
durch aufgeladene Motoren mit relativ kleinem Hubraum ersetzt werden.
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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 Randbedingungen bei der Gestaltung der Aufladeeinrichtung
Grenzen gesetzt. Ein Lastsprung von einer Magerbetriebsart in den
Homogenbetrieb ist im Gegensatz dazu relativ schnell umsetzbar,
da die notwendige Luftmenge (und damit eine erhöhte Turboladerdrehzahl)
für die höhere Last im Homogenbetrieb schon bei
niedriger Last im Magerbetrieb vorhanden ist. Demnach ist ein sehr
gutes Ansprechverhalten des Motors nur dann gewährleistet, wenn
die angeforderte Lasterhöhung aus einer Magerbetriebsart
heraus gestartet wird. Idealerweise sollte demnach die Brennkraftmaschine – wenn
dies die angeforderte Last zulässt – immer im
Magerbetrieb betrieben werden.
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Um
einen einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten,
sind jedoch zu bestimmten Zeitpunkten bestimmte Motorfunktionen, wie
z. B. Funktionen zur Zylindergleichstellung oder Desulfatisierung
von NOx-Speicherkatalysatoren durchzuführen, die auch im
Betriebsbereich des Magerbetriebs einen Homogenbetrieb erfordern.
Werden diese den Homogenbetrieb erfordernden Motorfunktionen während
des Magerbetriebs angefordert, erfolgt ein Wechsel vom Magerbetrieb
in den verbrauchsungünstigeren Homogenbetrieb. Bei einer angeforderten
Lasterhöhung während des aufgrund der angeforderten
Motorfunktion aktiven Homogenbetriebs wird die Lasterhöhung
daher nicht (wie standardmäßig) aus dem Magerbetrieb,
sondern aus dem Homogenbetrieb gestartet. Für den Fahrer macht
sich dieser Unterschied in einem veränderten (verzögerten)
Responseverhalten bemerkbar.
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Aus
der
DE 199 06 378
A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer mit Direkteinspritzung
ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine bekannt, die in einem Homogenbetrieb
und einem Magerbetrieb betreibbar ist, bei der eine Priori sierung
und Aktivierung von Motorfunktionen, die nur in einer bestimmten
Betriebsart ausgeführt werden können, in Abhängigkeit
von aktuellen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung einer mit Direkteinspritzung
ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine, die im Magerbetrieb betrieben
werden kann, anzugeben, durch das ein einheitliches Dynamikverhalten
sichergestellt werden kann.
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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
aus. Diese direkteinspritzende 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,
und im Homogenbetrieb das Verhältnis zwischen Kraftstoff
und Luft innerhalb gewisser Grenzen gleich ist. Im Magerbetrieb
wird somit mit wesentlich mehr Luft gefahren als im stöchiometrischen
Homogenbetrieb, wobei der erforderliche Luftmassenstrom ggf. durch
eine Aufladeeinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann.
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
gelangen. Um im Magerbetrieb diese relativ große Luftmenge
erreichen zu können, 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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Soweit
es die Anforderungen an die Brennkraftmaschine zulassen, wird diese
im Magerbetrieb betrieben. Wie bereits eingangs erwähnt,
ist jedoch bei bestimmten Motorfunktionen, die für einen
einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich sind,
ein Wechsel in den Homogenbetrieb erforderlich. Manche Anforderungen
eines Wechsels in den Homogenbetrieb müssen sofort umgesetzt
werden andere können auch für eine gewisse Zeit
zurückgehalten und erst später umgesetzt werden. Dazu
kann bspw. mittels eines sog. „Homogenmanagers”,
der ein Umschalten in eine Homogenphase zulässt oder unterbindet,
eine Priorisierung der entsprechenden Motorfunktionen und/oder sonstiger
Motoranforderungen vorgenommen werden, und in Abhängigkeit
von der Priorität der angeforderten Motorfunktionen ein
(vorübergehender) Wechsel aus dem Magerbetrieb in den Homogenbetrieb
eingeleitet werden.
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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 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, und ein einheitliches und gutes Dynamikverhalten
gewährleisten zu können, sollten angeforderte
Dynamikmaßnahmen somit prinzipiell im Magerbetrieb umgesetzt
werden. Um dies mit den angeforderten, den Homogenbetrieb erfordernden
Motorfunktionen und/oder Motoranforderungen in Einklang zu bringen,
wird vorgeschlagen, zusätzlich zur Priorisierung der den
Homogenbetrieb erfordernden Motorfunktionen und/oder der Motoranforderungen
eine Priorisierung von angeforderten Dynamikmaßnahmen vorzunehmen,
und die beiden Priorisierungen entsprechend abzu stimmen. Vorteilhafterweise
erfolgt dabei eine derartige Abstimmung, dass bei entsprechender
Priorisierung ein Wechsel in den Homogenbetrieb vorerst unterbunden
wird. Insbesondere werden dabei angeforderte Dynamikmaßnahmen
prinzipiell höher priorisiert als aktuell durchzuführende,
den Homogenbetrieb erfordernde Motorfunktionen. Durch die gegenüber
den Motorfunktionen höhere Priorisierung der Dynamik bzw.
der Dynamikmaßnahmen wird die Brennkraftmaschine länger
im Magerbetrieb betrieben. Dadurch werden einzelne – notwendige – Homogenbetriebsphasen
zu einem späteren Zeitpunkt verschoben, wodurch die Dynamik
erhöht wird.
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Werden
bspw. Dynamikmaßnahmen, die idealerweise im Magerbetrieb
eingeleitet werden, angefordert, wird aufgrund einer entsprechenden
Priorisierung der Dynamikmaßnahmen der Magerbetrieb vorerst
beibehalten. Vorteilhafterweise wird der Magerbetrieb für
ein vorgegebenes Zeitintervall und/oder bis zum Erreichen eines
vorgegebenen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine und/oder bis zum
Erreichen einer angeforderten Lastschwelle und/oder bis zum Erreichen
eines vorgegebenen Kraftstoffgrenzwertes und/oder bis zu einer Höherpriorisierung
einer den Homogenbetrieb erfordernden Motorfunktion beibehalten.
Eine Höherpriorisierung einer den Homogenbetrieb erfordernden
Motorfunktion erfolgt bspw. dann, wenn eine Durchführung
dieser Motorfunktion unbedingt erforderlich ist und nicht mehr hinausgezögert
werden kann.
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Vorteilhafterweise
werden die Dynamikmaßnahmen in Abhängigkeit vorgegebener,
aktuell vorliegender oder aktuell angeforderter Fahrparameter bzw.
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (z. B. schnelle Lastanforderung
im Niedriglastbereich, Lastwechselanforderungen über Zeit,..)
ermittelt und entsprechend angefordert. Alternativ oder zusätzlich kann
der Fahrer auch durch Betätigung eines entsprechenden Bedienelements
(z. B. Sporttaste) die Dynamikmaßnahmen gezielt herbeiführen
bzw. anfordern.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
die Lastschwellen bzw. die lastabhängige Umschaltschwelle
zum Wechsel in den Homogenbetrieb zu höheren Lasten hin
verschoben. Messungen haben bereits gezeigt, dass der Dynamikvorteil
steigt, je größer die Ausgangslast in einer Magerbetriebsart
ist. Somit führt die Erhöhung der lastabhängigen
Umschaltschwelle zum Wechsel vom Magerbetrieb oder von einem zwischen
den beiden Betriebsarten angeordneten Homogen-Schichtbetrieb in
den Homogenbetrieb zu einer deutlichen Verbesserung des Dynamikverhaltens.
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Werden
im Magerbetrieb Dynamikmaßnahmen angefordert, und erlaubt
die Priorisierung der Dynamikmaßnahmen gegenüber
anderen, angeforderten Motorfunktionen, die einen Homogenbetrieb erfordern
würden, eine Beibehaltung des Magerbetriebs, wird zur Gewährleistung
einer ausreichenden Dynamik in einem ersten Schritt zuerst die in
den Brennraum des Zylinders einströmende Kraftstoffmenge
bis zu einem vorgegebenen Kraftstoffgrenzwert erhöht, und
erst in einem zweiten Schritt in den Homogenbetrieb gewechselt.
Der angesaugte Luftmassenstrom soll im ersten Schritt vorerst konstant bleiben
oder zumindest nicht kleiner 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 vorgegebenen 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 das Brennverfahren in den Homogenbetrieb überführt,
d. h. die Einspritzstrategie wird an die den Homogenbetrieb kennzeichnende
Einspritzstrategie angepasst. 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. 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. Sobald ein Wechsel in den
Homogenbetrieb erfolgt ist, können auch die angeforderten,
den Homogenbetrieb erfordernden Motorfunktionen umgesetzt werden.
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Befindet
sich der Motor aufgrund einer Priorisierung beim Start des Lastwechsels
im Homogenbetrieb, wird ein Lastwechsel merkbar verzögerter ausgeführt
als wenn sich der Motor beim Start im Magerbetrieb befinden würde.
Um eine möglichst schnelle Erhöhung der in den
Brennraum des Zylinders einströmenden Luftmasse auch im
Homogenbetrieb zu ermöglichen, kann während der
Homogenphasen die Vorspannung erhöht werden, um möglichst
schell einen hohen Ladedruck zu erhalten. Unter Vorspannung wird
die Erhöhung des Ladedrucks z. B. durch Schließen
eines in der Aufladeeinrichtung angeordneten Bypassventils und anschließender
Androsselung durch die Drosselklappe verstanden. Weiter können
zur Verbesserung der Hochlaufdynamik auch die Ansteuerung eines
vorhandenen Abgas-Rückführungssystem, des Abgassystems, und/oder
des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffrail beeinflusst werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren, sowie dessen vorteilhafte
Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus
oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung, insbesondere mittels
eines Homogenma nagers in einem dafür vorgesehenen Steuergerät,
insbesondere in einem Motorsteuergerät durchgeführt
werden.
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Mittels
dieses Verfahrens zur Steuerung einer direkteinspritzenden, aufgeladenen
Otto-Brennkraftmaschine ergibt sich ein einheitliches und gutes Dynamikverhalten.
Der Fahrer wird somit bei Dynamikanforderungen keine Unterschiede
im Responseverhalten erkennen können. Zudem ermöglicht
die Erfindung dem Fahrer eine gezielte Erhöhung der Motordynamik
durch Betätigung einer entsprechenden Taste. Bei Betätigung
der Taste kann beispielsweise die Priorisierung der Dynamikmaßnahmen
erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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