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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Die stetige Verschärfung der Grenzwerte für Schadstoff-Emissionen stellt hohe Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen. Vom Stand der Technik her ist es bekannt, eine Abgasrückführung (AGR) zu verwenden, welche ein wichtiges Mittel zur Verringerung von Stickoxid-Entstehung darstellt. Auch die variable Steuerung der Gaswechselventile, insbesondere der Einlassventile, ist allgemein bekannt.
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Eine weitere Möglichkeit, die Schadstoffemissionen und den Kraftstoffverbrauch bei einem Ottomotor mit Fremdzündung zu verringern ist die sogenannte homogene Selbstzündung. Dieses Brennverfahren wird auch als HCCI-Verfahren bezeichnet. Dabei steht HCCI für Homogeneous Charge Compression Ignition. Da dieses Brennverfahren aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird auf eine detaillierte Erläuterung dieses Verfahrens verzichtet und es werden nur die für das Verständnis der beanspruchten Erfindung erforderlichen Einzelheiten gesondert beschrieben.
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Beim HCCI-Verfahren wird der Kraftstoff im Saughub oder schon davor der Brennkraftmaschine eingespritzt, als Einzeleinspritzung oder Mehrfacheinspritzung. In Folge dessen hat der eingespritzte Kraftstoff ausreichend Zeit, um ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch zu bilden, das sich dann im Verdichtungstakt, kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts, (Zünd-OT) selbst entzündet. Um eine Brennkraftmaschine stabil im HCCi-Modus betreiben zu können, müssen unter anderem die angesaugte Luftmenge, deren Druck und Temperatur, die eingespritzte Kraftstoffmenge und das Verdichtungsverhältnis innerhalb enger Toleranzen gesteuert oder geregelt werden. Das Verdichtungsverhältnis wird beispielsweise über die variable Ansteuerung der Einlassventile eingestellt.
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Ein Vorteil des HCCI-Modus besteht darin, dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs nicht in einer Flammenfront erfolgt, wie sie von der herkömmlichen Funkenzündung (Spark Ingnition = SI) bekannt ist. Beim HCCI-Betrieb erfolgt die Kraftstoffumsetzung großflächig und wird im gesamten Brennraum nahezu gleichzeitig aufgelöst, weil das Kraftstoff-Luftgemisch homogen ist und daher im gesamten Brennraum gleichzeitig die Zündbedingung erreicht wird, wenn nämlich der Druck und damit auch die Temperatur des Kraftstoff-Luftgemisches ausreichend hoch sind.
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Die Verbrennung erfolgt extrem schnell, wobei die Spitzentemperaturen deutlich niedriger sind als bei der Verbrennung im SI-Modus. Dadurch werden extrem geringe Mengen an NOX gebildet.
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Um eine sicher funktionierende Selbstzündung zu erreichen, müssen die Ladungstemperatur, der Restgasanteil, der Zylinderdruck, der Homogenisierungsgrad der Ladung und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert werden.
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Da eine Brennkraftmaschine nicht über den gesamten Lastbereich im HCCI-Modus betrieben werden kann, muss entsprechend der vom Fahrer des Kraftfahrzeugs abgerufenen Leistung, eine Umschaltung vom Betrieb mit Fremdzündung (SI-Modus) auf den HCCI-Modus und zurück erfolgen. Dabei soll die Umschaltung von der einen Betriebsart auf die andere Betriebsart für den Fahrer des Kraftfahrzeugs möglichst nicht oder nur wenig wahrnehmbar sein. Dabei wird die Wahrnehmbarkeit über die Geräuschentwicklung der Brennkraftmaschine, und eventuelle Drehmomentsprünge geprägt.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, die zum Betrieb mit Fremdzündung und im HCCI-Modus geeignet und ausgebildet ist, erfolgt erfindungsgemäß eine Umschaltung vom SI-Modus auf den HCCI-Modus dadurch, dass der Hub und/oder die Steuerzeiten der Einlassventile geändert werden, die HCCI-Verbrennung durch Restgasrückhaltung eingeleitet wird, indem die Restgasrückhaltung aktiviert wird und zunächst Kraftstoff im Kompressionshub, das heißt vor dem Zünd-OT, eingespritzt wird.
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Bei der Restgasrückhaltung werden die Auslassventile der Brennkraftmaschine vor dem Ladungswechsel-OT geschlossen. Somit wird Restgas aus der vorangegangenen Verbrennung im Brennraum zurückgehalten. Dieses heiße Restgas ist notwendig für die Selbstzündung des Gemisches in Nähe des Zünd-OT. Der zurückgehaltene Restgasanteil lässt sich beispielsweise über ein im Steuergerät hinterlegtes (Restgas-)Modell bestimmen. Der zurückgehaltene Restgasanteil ist eine Steuergröße des HCCI-Verfahrens.
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Die Einspritzung wird generell während der Restgasrückhaltungsphase eingespritzt (einzeln oder mehrfach), dabei wird die für die Umschaltung vom Si-Modus in den HCCI-Modus relevante Einspritzung erst im Kompressionstakt eingespritzt. Diese im Kompressionstakt stattfindende Kompressionshubeinspritzung ist ein Teil der Gesamteinspritzmenge; sie kann aber auch gleich der Gesamteinspritzmenge sein.
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Die Fremdzündung (SI) kann und soll vorteilhafterweise zumindest während der Umschaltung vom Si-Modus in den HCCI-Modus eingeschaltet bleiben, als weitere Steuergröße.
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Durch diese Maßnahmen ist es möglich, das Umschalten vom SI-Modus in den HCCI-Modus mit für den Fahrer im Kraftfahrzeugs kaum wahrnehmbar zu machen. Dieses Verfahren wird noch weniger wahrnehmbar, wenn der Einspritzzeitpunkt der Kompressionshubeinspritzung ausgehend von einem Anfangszeitpunkt am Beginn der Umschaltung schrittweise bis zu einem Einspritzzeitpunkt im Saughub vorverlegt wird. Der Einspritzzeitpunkt der Kompressionshubeinspritzung ist ein weiteres wirksames Mittel zur besonderen Steuerung der Verbrennung während der Umschaltung.
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Der Einspritzzeitpunkt im Saughub entspricht dabei dem im stationären HCCI-Modus optimalen Einspritzzeitpunkt.
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Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn während der Umschaltung die eingespritzte Kraftstoffmenge angepasst wird, um Drehmomentsprünge oder Änderungen zu vermeiden. Solche Drehmomentsprünge können beispielsweise von einem Drehwinkelsensor an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erkannt werden, wenn nämlich die Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt oder abnimmt.
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Noch besser ist es, wenn die erforderlichen Anpassungen der eingespritzten Kraftstoffmenge in einem Kennfeld im Steuergerät der Brennkraftmaschine hinterlegt sind, sodass durch Auslesen der entsprechenden Einspritzmengen aus dem Kennfeld eine noch bessere Laufruhe der Brennkraftmaschine während des Umschaltvorgangs erreicht wird. Es hat sich in praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn der Umschaltvorgang mehrere Arbeitszyklen umfasst, wobei jeder Arbeitszyklus einem Kurbelwellenwinkel von 720 Grad entspricht. Dabei hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn der Umschaltvorgang innerhalb von 10 Arbeitszyklen abgeschlossen ist.
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Um eine weitere Verbesserung des Umschaltvorgangs vom SI-Modus in den HCCI-Modus zu erreichen, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, der Umschaltung eine zeitlich vorgelagerte Vorbereitungsphase vorzuschalten, wobei in dieser Vorbereitungsphase die Ansaugseite der Brennkraftmaschine entdrosselt wird. Desweiteren kann alternativ der Zündwinkel und/oder die eingespritzte Kraftstoffmenge so angepasst werden, dass trotz der Entdrosselung der Ansaugseite der Brennkraftmaschine die Drehmomentabgabe konstant bleibt.
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Erfindungsgemäß kann die Entdrosselung der Ansaugseite der Brennkraftmaschine durch Öffnen der Drosselklappe erhöhen der Abgasrückführrate und/oder Ändern von Hub und/oder Steuerzeiten der Einlassventile erfolgen. Auch hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die in der Vorbereitungsphase vorgenommenen Änderungen beim Zündwinkel, der eingespritzten Kraftstoffmenge und der Entdrosselung der Ansaugseite der Brennkraftmaschine in bis zu 10 Arbeitszyklen erfolgen. Dadurch ist eine schrittweise Anpassung der verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine möglich und es wird ein gleichmäßiger und vom Fahrer kaum wahrgenommener Übergang zwischen dem SI-Modus und dem HCCI-Modus erreicht.
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Auch für die Steuerung der Brennkraftmaschine in der Vorbereitungsphase ist es vorteilhaft, wenn die dazu erforderlichen Änderungen der Betriebsparameter in einem Kennfeld oder mehreren Kennfeldern hinterlegt sind.
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Die Brennkraftmaschine kann im SI-Modus entweder über die Drosselklappe gedrosselt werden oder ungedrosselt mit Hilfe einer variablen Ventilsteuerung oder im Schichtbetrieb betriebenen werden. Aus allen diesen Betriebsarten im SI-Modus kann die erfindungsgemäße Umschaltung auf den HCCI-Modus erfolgen. Selbstverständlich kann es dazu erforderlich sein, dass je nach Betriebsart im SI-Modus unterschiedliche Kennfelder und unterschiedliche Parameteränderungen vorgenommen werden müssen. So kann beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine im SI-Modus ungedrosselt im Schichtbetrieb betrieben wird, die Entdrosslung der Brennkraftmaschine durch Öffnen der Drosselklappe in der Vorbereitungsphase entfallen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für Brennkraftmaschinen gelöst werden.
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Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Schema einer Brennkraftmaschine mit einem Luftsystem und einer Abgasanlage;
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2 ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens über mehrere Arbeitszyklen und
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3 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Verfahrens.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10 mit einer Abgasanlage 12. Die Brennkraftmaschine 10 im linken Bereich der Zeichnung weist vier Zylinder 14a bis 14d auf in die mittels vier Einspritzventilen 16a bis 16d Kraftstoff eingespritzt werden kann. Die Einspritzventile 16a bis 16d sind Teil eines Einspritzsystems 17 der Brennkraftmaschine 10. Ein Luftsystem 18 umfasst einen Luftkanal 20 und ein Saugrohr 24, welches der Brennkraftmaschine 10 benachbart angeordnet ist. In der Zeichnung rechts oben weist das Luftsystem 18 ein Stellglied 21 zur Steuerung der einströmenden Luftmenge auf. Das Stellglied 21 wird auch als Drosselklappe 21 bezeichnet.
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Durch den Luftkanal 20 strömt ein Luftmassenstrom 22, der von einem stromaufwärts des Stellglieds 21 angeordneten Luftmassenmesser 23 gemessen werden kann.
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In der Abgasanlage 12 sind in der Zeichnung von links nach rechts ein erster Katalysator 26 und ein zweiter Katalysator 28 angeordnet. Eine Abgasrückführung 34 mit einem Ventil 36 (Abgasrückführungs-Ventil) verbindet die Abgasanlage 12 mit dem Luftsystem 18. Mit Hilfe des Ventils 36 kann eine Abgasrückführungsrate verändert werden. Als Abgasrückführungsrate wird das Verhältnis von dem durch die Abgasrückführung 34 strömenden Abgas zu der durch den Luftkanal 20 strömenden Frischluft definiert.
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Abgassonden 38 stromaufwärts des ersten Katalysators 26 sowie Abgassonden 39 stromabwärts des ersten Katalysators 26 können das Emissionsspektrum des Abgases vor und nach dem ersten Katalysator 26 ermitteln. Die Abgassonden 38 und 39 umfassen beispielsweise eine Lambdasonde und einen NOx-Sensor. Ein Sensor 37 überwacht einen Sauerstoffanteil in dem Saugrohr 24.
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Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 40, auf der ein Computerprogramm 42 ablauffähig ist, ist im unteren Bereich der Zeichnung schematisch angedeutet. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 40 umfasst weiterhin Modelle 43 und Kennfelder 44. Ein Bündel von ankommenden Leitungen 46 und ein Bündel von abgehenden Leitungen 48 deuten verschiedene elektrische Verbindungen zwischen der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 40 und den übrigen elektrischen Einrichtungen der Brennkraftmaschine 10, des Luftsystems 18 und der Abgasanlage 12 an, beispielsweise zu einem Stellglied des Ventils 36 und dem Sensor 37. Diese elektrischen Verbindungen sind in der 1 jedoch nicht explizit dargestellt.
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Pfeile 50 beschreiben die Strömungsrichtung im Luftsystem 18, und Pfeile 52 beschreiben die Strömungsrichtung eines Abgases 54 in der Abgasanlage 12.
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Im Betrieb ermittelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 40 verschiedene Größen der Brennkraftmaschine 10 sowie der Abgasanlage 12. Unter anderem werden eine Drehzahl N und ein Drehmoment M der Brennkraftmaschine 10, eine Abgastemperatur, die Stellung des Ventils 36, der Luftmassenstrom 22 in dem Luftkanal 20, Einspritzzeitpunkte, Einspritzdauern und Einspritzdrücke in den Einspritzventilen 16a bis 16d, sowie Signale der Abgassonden 38 und 39 erfasst oder ermittelt. Dies ist in der Zeichnung der 1 jedoch nicht gesondert dargestellt.
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Ebenfalls nicht dargestellt sind die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine und deren Steuerung. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt das Vorhandensein einer Abgasrückführung 34 mit einem Abgasrückführungs-Ventil 36) und/oder einer Ventilsteuerung, welche es erlaubt den Hub und/oder die Steuerzeiten der Einlassventile variabel zu steuern.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der 2 vier Diagramme übereinander aufgetragen. Dabei sind alle Angaben als Beispielwerte anzusehen, wobei in konkreten Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch andere Werte vorteilhaft sein können.
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Die X-Achse aller vier Diagramme ist jeweils der Kurbelwellenwinkel φ, während die Y-Achsen der vier Diagramme verschieden sind. Auf der Y-Achse des ersten Diagramms ist der Drosselklappenwinkel DKW aufgetragen. Die Y-Achse beginnt bei 0 und endet bei 100 %.
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In dem zweiten Diagramm ist auf der Y-Achse der Zündwinkel ZW aufgetragen. Als kleinster Wert ist ein Zündwinkel von zum Beispiel –20° vor dem Zünd-OT (ZOT) aufgetragen. Die Y-Achse des zweiten Diagramms wird durch den Zünd-OT (ZOT) nach oben begrenzt.
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Im dritten Diagramm ist die eingespritzte Kraftstoffmenge EM auf der Y-Achse aufgetragen. Sie ist ohne Einheit dargestellt, da nur die qualitativen Änderungen während des Wechsels vom Si-Modus in den HCCI-Modus dargestellt werden sollen.
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In dem vierten Diagramm ist der Einspritzwinkel EW aufgetragen. Der Minimalwert der Y-Achse des vierten Diagramms ist mit LOT (Ladungswechsel-OT) bezeichnet, während der Maximalwert als ZOT (Zünd-OT) bezeichnet ist.
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Die X-Achse aller vier Diagramme ist in vier Abschnitte unterteilt. In einem ersten Abschnitt I. wird die Brennkraftmaschine im SI-Modus betrieben. Ein zweiter Abschnitt II. bezeichnet eine sogenannte Vorbereitungsphase. Ein dritter Abschnitt III. bezeichnet die sogenannte Umschaltphase und im vierten Abschnitt IV wird die Brennkraftmaschine im HCCI-Modus betrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft den Übergang der Brennkraftmaschine vom SI-Modus (I.) in den HCCI-Modus (IV.). Sowohl im SI-Modus als auch im HCCI-Modus wird die Brennkraftmaschine mit konstanten Parametern betrieben. Daher sind sowohl der Drosselklappenwinkel DKW, der Zündwinkel ZW, die eingespritzte Kraftstoffmenge EM und der Einspritzwinkel EW in den Abschnitten I und IV jeweils konstant.
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Wie aus der 2 ersichtlich ist, findet im zweiten Abschnitt II, der Vorbereitungsphase eine Entdrosselung des Ansaugtrakts statt, indem der Drosselklappenwinkel von einem Wert, der nur wenig größer als 0 ist (zum Beispiel 4%), auf 100 % kontinuierlich erhöht wird.
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Wie aus dem zweiten Diagramm ersichtlich ist, wird der Zündwinkel ZW in der Vorbereitungsphase II. ebenfalls kontinuierlich geändert von einem Wert von –20° bis etwa zum Zünd-OT.
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Die eingespritzte Kraftstoffmenge EM wird in der Vorbereitungsphase II ebenfalls leicht angehoben, während der Einspritzwinkel EW in der Vorbereitungsphase II zwei konstant bleibt. Nachdem die Vorbereitungsphase II abgeschlossen ist, beginnt erfindungsgemäß die Übergangsphase III. In dieser Übergangsphase bleibt der Drosselklappenwinkel DKW konstant auf dem am Ende der Vorbereitungsphase II erreichten Wert. Dieser "Endwert" wird auch im HCCI-Modus IV beibehalten.
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Der Zündwinkel ZW wird in der Umschaltphase II gegenüber dem am Ende der Vorbereitungsphase II erreichten Wert wieder etwas zurückgenommen. Er ist jedoch auch am Ende der Umschaltphase III und im HCCI-Modus IV deutlich kleiner als im SI-Modus I.
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Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird in der Umschaltphase III, ausgehend von dem am Ende der Vorbereitungsphase II erreichten Wert, wieder kontinuierlich zurückgenommen, wobei am Ende der Umschaltphase III die eingespritzte Kraftstoffmenge geringer ist als die im SI-Modus (siehe eingespritzte Kraftstoffmenge EM). Daraus wird deutlich, dass sich durch die Umschaltung vom SI-Modus (Phase I) in den HCCI-Modus (Phase IV) Kraftstoffeinsparungen realisieren lassen. Die am Ende der Umschaltphase III eingespritzte Kraftstoffmenge EM wird auch im HCCI-Modus beibehalten.
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Der Einspritzwinkel wird mit dem Übergang von der Vorbereitungsphase II in die Umschaltphase III sprungartig geändert. In den Phasen I und II ist der Einspritzwinkel in der Nähe des Ladungswechsels OT und springt am Beginn der Umschaltphase III in die Nähe des Zünd-OTs. Konkret kann dies bedeuten, dass der Einspritzwinkel von 60° nach dem Ladungswechsel-OT auf 60° vor dem Zünd-OT springt.
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Ausgehend von diesem späten Einspritzwinkel EW wird der Einspritzwinkel der Kompressionshubeinspritzung in der Umschaltphase III abgesenkt, bis er etwa am unteren Totpunkt vor dem Zünd-OT anlangt. Dieser Einspritzwinkel wird dann im HCCI-Modus (Phase IV.) beibehalten.
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In der 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Block wird die Brennkraftmaschine gestartet und in einem Block 101 im SI-Modus betrieben. Da es grundsätzlich angestrebt wird, die Brennkraftmaschine sooft wie möglich im HCCI-Modus zu betreiben, wird in einem Block 102 geprüft, ob der Betrieb im HCCI-Modus möglich ist. Wenn der Betrieb im HCCI-Modus nicht möglich ist, verzweigt das Verfahren wieder oberhalb des Blocks 101 und die Brennkraftmaschine wird im SI-Modus weiterbetrieben.
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Wenn die Abfrage im Block 103 ergibt, dass ein Betrieb im HCCI-Modus möglich ist, dann verzweigt das Verfahren in einen Block 105. Diesen Block 105 wird die Umschaltung auf den HCCI-Modus vorbereitet. Dies erfolgt mit Hilfe der in den Patentansprüchen 5 bis 8 beanspruchten Merkmale.
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Nach Abschluss der Vorbereitungsphase 105, die bis zu 10 Arbeitszyklen umfassen kann, geht die Brennkraftmaschine in den HCCI-Modus über (s. Block 107).
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In einem weiteren Block 109 wird kontinuierlich überprüft, ob die Umschaltung auf den SI-Modus notwendig oder vorteilhaft ist. Wenn diese Frage negativ beantwortet wird, verzweigt das Verfahren wieder vor den Block 107 und die Brennkraftmaschine wird im HCCI-Modus weiterbetrieben. Andernfalls verzweigt das Verfahren vor den Block 101 und die Brennkraftmaschine wird im SI-Modus betrieben.
