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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine, welche unabhängig von der Zündung eines sich in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine Zündkerze auftreten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In einer Brennkraftmaschine führt eine Verbrennung des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches dazu, das Fahrzeug in den Fahrbetrieb zu versetzen bzw. den Fahrbetrieb aufrecht zu erhalten. Bei der Entwicklung moderner Brennkraftmaschinen ist eine Tendenz in Richtung von Downsizing der Brennkraftmaschinen in Kombination mit Direkteinspritzung und Aufladung zu verzeichnen. Downsizing bedeutet dabei eine Verkleinerung der technischen Größen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise des Gewichtes oder des Hubraumes. Trotzdem wird eine gleiche oder ähnliche Leistungsfähigkeit wie bei größeren Brennkraftmaschinen erzielt. Dies kann realisiert werden, da die Aufladung eine Reduktion des Hubraumes ohne Absenkung des Leistungsniveaus ermöglicht. Somit kann die Brennkraftmaschine in der Teillast bei höheren Lasten mit höherem Teillastwirkungsgrad betrieben und der Kraftstoffwirkungsgrad gesenkt werden.
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Die Ladedruckerhöhung zur Verbesserung des Wirkungsgrades führt jedoch zu einer sehr hohen thermischen Belastung der Brennräume der Brennkraftmaschine. Dies hat unkontrollierte Verbrennungen zur Folge, welche sporadisch entstehen, wenn Komponenten oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum der Brennkraftmaschine zu hohe Temperaturen annehmen und dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch unkontrolliert entzündet wird. Solche unkontrollierten Verbrennungen, die auch als Vorentflammungen oder Selbstentflammungen bezeichnet werden, treten nach und vor dem durch eine Zündkerze ausgelösten Zündzeitpunkt auf und bauen eine zusätzliche Flammenfront auf, die zu einem schnelleren Durchbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches führt. Da diese unkontrollierten Verbrennungen eine extrem hohe Zylinderdruckamplitude aufweisen, kommt es ohne Gegenmaßnahmen zur Zerstörung der Brennkraftmaschine.
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Es ist bekannt, solche unkontrollierten Verbrennungen zu erkennen und daraus gestufte Maßnahmen zur Vermeidung von weiteren Vorentflammungen bzw. Vorentflammungs-Serien abzuleiten. Trotzdem kommt es über die Lebensdauer des Kraftfahrzeuges zu einer zunehmenden Zahl von unkontrollierten Verbrennungen in der Brennkraftmaschine. Zur Vermeidung der unkontrollierten Verbrennungen wird beispielsweise die Drosselklappenöffnung in einem kritischen Drehzahlbereich begrenzt oder der Ladedruck im kritischen Drehzahlbereich verringert. Nachteilig ist dabei, dass die Brennkraftmaschine nicht ihr mögliches und gewünschtes Leistungspotential ausschöpfen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei welchem gewährleistet wird, dass die Brennkraftmaschine ihr gewünschtes Leistungspotential voll ausnutzen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, beim Betreiben der Brennkraftmaschine ausgeblendet wird. Dies hat den Vorteil, dass über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine die Entstehung von unkontrollierten Verbrennungen zuverlässig verhindert wird. Eine Leistungsbegrenzung der Brennkraftmaschine wird somit verhindert und eine Zerstörung der Brennkraftmaschine unterbunden.
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Vorteilhafterweise wird der mindestens eine Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, vorzugsweise adaptiv, erlernt und durch eine, vorzugsweise momentenbasierte, Leistungsregelung der Brennkraftmaschine ausgeblendet. Durch das Lernen des Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, werden Veränderungen der Brennkraftmaschine, die ein Auftreten der unkontrollierten Verbrennungen unterstützen, über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine detektiert und abgespeichert. Somit kann für jeden Betriebspunkt der Ansteuerung der Brennkraftmaschine eine aktuelle Aussage über den Betriebsbereich der Brennkraftmaschine getroffen werden, in welchem unkontrollierte Verbrennungen auftreten können. Durch diese adaptive Anpassung wird zu jedem Zeitpunkt des Betriebes der Brennkraftmaschine die Ausblendung des entsprechenden kritischen Betriebsbereiches gewährleistet, wodurch unkontrollierte Verbrennungen zuverlässig unterbunden werden. Somit werden über die gesamte Laufzeit der Brennkraftmaschine die auftretenden unkontrollierten Verbrennungen detektiert und ausgewertet.
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In einer Ausgestaltung wird beim Auftreten von Betriebsparametern, die den mindestens einen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, charakterisieren durch die Leistungsregelung eine Momentenbegrenzung der Brennkraftmaschine eingestellt. Die kritischen Betriebsbereiche zum Auftreten von unkontrollierten Verbrennungen sind durch Eingangsgrößen und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine charakterisiert. Diese Betriebsparameter werden abgespeichert und zur Unterbindung eines kritischen Betriebsbereiches von der Ansteuerung der Brennkraftmaschine nicht mehr berücksichtigt, so dass der kritische Betriebsbereich nicht eingestellt wird. Auf Grund dieser Vorgehensweise werden unkontrollierte Verbrennungen zuverlässig vermieden und die Lebensdauer der Brennkraftmaschine verlängert.
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In einer Variante erfolgt die Ausblendung des mindestens einen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, durch eine Modifikation der Stellgrößen der Brennkraftmaschine. Um den unerwünschten kritischen Betriebsbereich für unkontrollierte Verbrennungen zu unterbinden, werden die Stellgrößen gezielt in der Ansteuerung der Brennkraftmaschine so verändert, dass sicher gewährleistet wird, dass die unkontrollierten Verbrennungen während des Betriebes der Brennkraftmaschine nicht auftreten.
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In einer Ausführungsform wird der mindestens eine Betriebsbereich in einer Applikationsphase für einen Brennkraftmaschinetyp erlernt oder definiert, wobei für den Brennkraftmaschinentyp ein vordefinierter fester unveränderbarer Betriebsbereich vorgegeben und abgespeichert wird. Dieser unveränderbare Betriebsbereich wird empirisch ermittelt. Somit wird bereits bei der Erstinbetriebnahme der Brennkraftmaschine sicher gestellt, dass unkontrollierte Verbrennungen ab dem ersten Betriebszeitpunkt der Brennkraftmaschine unterbunden werden.
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Ferner erfolgt die Definition des mindestens einen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine in der Funktionssoftware zur Leistungsregelung, insbesondere zur Momentenbegrenzung, der Brennkraftmaschine. Durch eine solche Momentenbegrenzung wird dauerhaft ein vorentflammungsfreier Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Alternativ wird der mindestens eine Betriebsbereich der Brennkraftmaschine während der Lebensdauer der Brennkraftmaschine motorindividuell erlernt. Damit wird sichergestellt, dass sich Veränderungen der Brennkraftmaschine über deren Lebensdauer, welche sich auch auf die Betriebsbereiche zur Erzeugung von unkontrollierten Verbrennungen auswirken und diese verschieben, zuverlässig überwacht werden, so dass der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine jederzeit dem kritischen Betriebsbereich angepasst werden kann. Dadurch wird gewährleistet, dass unkontrollierte Verbrennungen über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine zuverlässig vermieden werden.
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In einer Variante werden die unkontrollierten Verbrennungen ermittelt und der mindestens eine Betriebsbereich, vorzugsweise ein Drehzahl-Last-Bereich, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, während des laufenden Betriebes der Brennkraftmaschine bestimmt und die diesen Bereich charakterisierenden Betriebsparameter gelernt. Somit werden die unkontrollierten Verbrennungen bei laufender Brennkraftmaschine erkannt und die zu den unkontrollierten Verbrennungen korrelierenden Betriebsparameter als charakterisierende Randbedingungen für den kritischen Betriebsbereich der unkontrollierten Verbrennungen abgespeichert. Nach abgeschlossener Bestimmung wird diese Kombination von Betriebsparametern, die die Entstehung von unkontrollierten Verbrennungen begünstigt, nicht mehr angesteuert.
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In einer Ausgestaltung wird der mindestens eine gelernte Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, in einer Adaptionsstrategie, vorzugsweise mittels eines mehrdimensionalen Kennfeldes und/oder eines neuronalen Netzwerkes, abgelegt. Die Verwendung eines mehrdimensionalen Kennfeldes oder eines neuronalen Netzwerkes hängt dabei von der Art und Weise ab, wie die kritischen Betriebsbereiche, in welchen unkontrollierte Verbrennungen auftreten, dem Kraftfahrzeug bekanntgemacht werden. Bei einer fahrzeugindividuellen Adaption empfiehlt sich die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes, während bei einer Bedatung für einen Brennkraftmaschinentyp ein mehrdimensionales Kennfeld sinnvoll ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine, welche von der Brennkraftmaschine Eingangssignale empfängt und der Brennkraftmaschine Ausgangssignale übermittelt und vorzugsweise unkontrollierte Verbrennungen, die unabhängig von der Zündung eines sich in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine Zündkerze auftreten, erkennt. Bei einer Vorrichtung, bei welcher die gewünschte Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine über ihre gesamte Lebensdauer aufrechterhalten wird, sind Mittel vorhanden, welche mindestens einen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in welchem die unkontrollierten Verbrennungen auftreten, beim Betreiben der Brennkraftmaschine ermitteln und daraus Ausgangssignale ableiten und an die Brennkraftmaschine senden, wobei die abgeleiteten Ausgangssignale die Einstellung dieses mindestens einen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine unterbinden. Dies hat den Vorteil, dass unkontrollierte Verbrennungen vollständig und dauerhaft über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine vermieden werden. Die kritischen Betriebsbereiche werden dabei dauerhaft ausgeblendet, ohne dass die Leistungs- und Drehmomentvorteile einer als hochaufgeladener Downsizing-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine eingeschränkt werden.
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Vorteilhafterweise werden die von der Brennkraftmaschine empfangenen Eingangssignale in einem Lernmodul für den mindestens einen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in denen unkontrollierte Verbrennungen auftreten, verarbeitet, welches mit einem Modifikationsmodul verbunden ist, in dem die Ausgangssignale in Abhängigkeit des im Lernmodul definierten Betriebsbereiches erzeugt werden. Somit lassen sich lediglich durch Beeinflussung der Funktionssoftware der Brennkraftmaschine einfach unkontrollierte Verbrennungen vermeiden. Zur Realisierung dieser Vorgehensweise kann ein übliches Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine genutzt werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Vorrichtung zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine
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2: prinzipieller Programmablauf zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Vermeidung unkontrollierter Verbrennungen in einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine als Benzinmotor 1 ausgebildet ist. Der als Turbolader ausgebildete Benzinmotor 1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 2, 3, 4, 5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in den Zylindern 2, 3, 4, 5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange 6, 7, 8, 9 mit der Kurbelwelle 10 verbunden sind und diese aufgrund der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verursachten Druckänderungen antreiben. Die Zylinder 2, 3, 4, 5 sind mit einem Saugrohr 11 verbunden, dessen Luftansaugrohr 13 durch eine Drosselklappe 12 abgeschlossen ist. In jedem Zylinder 2, 3, 4, 5 ragt eine Düse 14a, 14b, 14c, 14d zur Einspritzung von Kraftstoff, wodurch sich im Brennraum 16 das Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.
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Im Brennraum 16 jedes Zylinders 2, 3, 4, 5 ist ein Brennraumdrucksensor 15a, 15b, 15c, 15d angeordnet, welcher kontinuierlich über alle Arbeitsspiele des Benzinmotors 1 den Druck im Brennraum 16 jedes Zylinders 2, 3, 4, 5 detektiert und an ein Steuergerät 17 weiterleitet. Unter einem Arbeitsspiel wird dabei bei dem im vorliegenden Fall betrachteten Vier-Takt-Benzinmotor 1 der Zyklus Ansaugen der Luft, Verdichten, Zünden und Ausstoßen der Abgase verstanden.
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Das Steuergerät 17 umfasst einen Mikroprozessor 19, der aus den Drucksignalen der Brennraumdrucksensoren 15a, 15b, 15c und 15d den Brennraumdruckverlauf im Brennraum 16 der jeweiligen Zylinder 2, 3, 4, 5 bestimmt. Der Mikroprozessor 19 umfasst eine Vorverarbeitungseinheit 20, ein Lernmodul 21 und ein Modifikationsmodul 22. Weiterhin ist das Steuergerät 17 über ein Einspritzsteuergerät 18 mit den einzelnen Kraftstoffeinspritzdüsen 14a, 14b, 14c, 14d verbunden.
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Beim Öffnen der Drosselklappe 12 strömt die Luft in das Saugrohr 11 und somit in die Zylinder 2, 3, 4, 5, in welche durch die Kraftstoffeinspritzdüsen 14a, 14b, 14c, 14d Kraftstoff eingespritzt wird. Durch einen, von einer nicht weiter dargestellten Zündkerze ausgelösten Funken wird in den Zylindern 2, 3, 4, 5 nacheinander eine Verbrennung ausgelöst, welche einen Druckanstieg in den Zylindern 2, 3, 4, 5 nach sich zieht, der über den Kolben und die Pleuelstange 6, 7, 8, 9 auf die Kurbelwelle 10 übertragen wird und diese in Bewegung setzt.
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Neben den beschriebenen, durch die Zündkerze ausgelösten normalen Verbrennungen treten sporadisch unkontrollierte Verbrennungen auf, welche auch als Vorentflammung bezeichnet werden. Diese unkontrollierten Verbrennungen sind im Brennraum 16 des Benzinmotors 1 auffällig, wobei diese eine der Normalverbrennung vor- oder nachgelagerte Verbrennungslage aufweisen können. Diese unkontrollierten Verbrennungen weisen eine Maximaldruckamplitude auf, welche weit über die Druckverhältnisse der normalen Verbrennung hinaus geht und aufgrund dieser Druckverhältnisse die Temperaturen im Brennraum und somit die Entzündlichkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches erhöht.
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Im Zusammenhang mit 2 soll ein prinzipieller Programmablauf zur Vermeidung von unkontrollierten Verbrennungen in dem Benzinmotor 1 vorgestellt werden. Der Mikroprozessor 19 des Steuergerätes 17 empfängt im Schritt 201 von dem Benzinmotor 1 eine Vielzahl von Eingangssignale, welche unkontrollierte Verbrennungen begünstigen und welche durch eine große Anzahl von Sensoren, die an und in dem Benzinmotor 1 angeordnet sind, erfasst werden. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 lediglich die Brennraumdrucksensoren 15a, 15b, 15c, 15d dargestellt.
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Neben dem Brennraumdruck können aber auch noch andere Eingangsparameter, die den Betriebszustand des Benzinmotors 1 charakterisieren, ausgewertet werden. Dazu gehören beispielsweise der Zündwinkel, die Lufttemperatur, die Motortemperatur, das Einspritz-Timing, die Anzahl der Einspritzimpulse, die Motordrehzahl, die Luftfüllung der Brennkraftmaschine, Ölemissionen, Ölqualität, Lambda-Zahl, die Bewegungen der Nockenwellen und viele andere Signale. All diese Eingangssignale, die als Absolutwerte in den Mikroprozessor 19 eingelesen werden, werden im Schritt 202 vom der Vorverarbeitungseinheit 20 innerhalb des Mikroprozessors 19 bearbeitet. Die Vorverarbeitungseinheit 20 fasst die absoluten Eingangssignale zu möglichen Betriebsbereichen, wie beispielsweise eine Klopfneigung, eine thermische Belastung, einen Restgasanteil, das Kraftstoff-Luft-Gemisch, die Einspritzart, den Betriebspunkt, Öl im Brennraum oder ähnliches zusammen. Dabei werden tatsächlich auftretende unkontrollierte Verbrennungen durch Auswertung der Klopfsignale oder Brennraumdrucksignale im Schritt 203 erkannt. Im Schritt 204 werden aus den möglichen Betriebbereichen, die Betriebsbereiche ausgewählt, in welchen unkontrollierte Verbrennungen erkannt wurden.
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Die von der Vorverarbeitungseinheit 20 ausgewählten Betriebsbereiche werden im Schritt 205 an das Lernmodul 21 weitergegeben. In diesem Lernmodul 21 werden die Betriebsbereiche in mehrdimensionalen Kennfeldern oder in einem neuronalen Netzwerkes abgelegt. Im Schritt 206 wird in Auswertung der mehrdimensionalen Kennfelder bzw. des neuronalen Netzwerkes ein Motormoment oder ein Betriebsbereich an das Modifikationsmodul 22 ausgegeben, in welchem unkontrollierte Verbrennungen auftreten.
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In dem Modifikationsmodul 22 wird im Schritt 207 dieser kritische Betriebsbereich oder das kritische Moment bei der Bestimmung der Stellgrößen für den Benzinmotor 1 berücksichtigt. Als Stellgrößen werden dabei die Füllung, die Einspritzung, der Zündwinkel und ähnliches modifiziert. In dem Modifikationsmodul 22 werden die Stellgrößen so eingestellt, dass der kritische Betriebsbereich, in welchem unkontrollierte Verbrennungen auftreten, und der von dem Lernmodul 21 ausgegeben wurde, nicht bei der Ansteuerung des Benzinmotors 1 angesteuert wird. Somit wird sichergestellt, dass der Benzinmotor 1 lediglich in solchen Betriebszuständen arbeitet, in welchem zuverlässig keine unkontrollierten Verbrennungen auftreten. Die Stellgrößen werden dabei als Ausgangssignale des Steuergerätes 17 an den Benzinmotor 1 ausgegeben. Beispielsweise werden die Ausgangssignale des Steuergerätes 17 an das Einspritzsteuergerät 18 weitergeleitet, welches die Einspritzventile 14a, 14b, 14c, 14d in Abhängigkeit der Ausgangssignale öffnet oder schließt, so dass der Benzinmotor 1 in einem Drehzahl-Last-Bereich ohne unkontrollierte Verbrennungen betrieben wird.
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Das Lernen der Betriebsbereiche, in welchen unkontrollierte Verbrennungen auftreten, kann dabei vorteilhafterweise während des Betriebs des Benzinmotors 1 erfolgen, wodurch eine motorindividuelle Leistungsentfaltung ermöglicht wird. Es ist aber auch möglich, dass während einer Applikationsphase eines Motortyps von einem festen definierten Betriebsbereich, in welchem unkontrollierte Verbrennungen auftreten, ausgegangen wird, welcher unveränderbar in der Funktionssoftware des Steuergerätes 17 abgelegt wird. Erfolgt eine Berücksichtigung der Betriebsbereiche, in welchen unkontrollierte Verbrennungen auftreten, während der normalen Applikation mit entsprechender Bedatung für einen speziellen Motortyp, so ist es sinnvoll, mit Hilfe mehrdimensionaler Kennfelder eine Momentenbegrenzung bei den kritischen Betriebsparametern direkt in der Funktionalität des Kraftfahrzeuges zu berücksichtigen. In diesem Fall kann eine Lernphase entfallen und es kann vorzugsweise auf eine Erkennung von unkontrollierten Verbrennungen verzichtet werden.
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Wird die Adaptionsphase der kritischen Betriebsbereiche, in welchen unkontrollierte Verbrennungen auftreten, in Kombination mit einer Erkennung der unkontrollierten Verbrennungen eingesetzt, so kann die Begrenzung des Momentes auch in Stufen ganz nach Bedarf des Benzinmotors 1 erfolgen. Diese bedarfsabhängige Begrenzung des Momentes des Benzinmotors 1 muss dann aber mit wenig erkannten unkontrollierten Verbrennungen erfolgen, um sicherzustellen, dass die Brennkraftmaschine infolge unkontrollierter Verbrennungen nicht beschädigt wird.
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Die erläuterten Eingangsgrößen stellen dabei Größen dar, welche unkontrollierte Verbrennungen beeinflussen. Durch eine geeignete Adaptionsstrategie, z.B. mittels des mehrdimensionalen Kennfeldes oder des neuronalen Netzwerkes bestimmt der Mikroprozessor 19 aus vorher erkannten unkontrollierten Verbrennungen die kritischen Betriebsbereiche und lernt diese ein. Durch die Modifikation der Stellgrößen, die in Abhängigkeit der kritischen Betriebsbereiche ausgewählt werden, wird eine momentenbasierte Leistungsregelung des Benzinmotors 1 realisiert, wobei vermieden wird, dass die kritischen Betriebsbereiche angefahren werden. Dadurch wird ein dauerhafter, von unkontrollierten Verbrennungen befreiter Betrieb des Benzinmotors 1 ermöglicht. Neben der momentenbasierten Leistungsregelung ist es auch denkbar, den Schaltpunkt beim Doppelkupplungsgetriebe oder anderen automatisierten Getrieben zu verschieben, um die kritischen Betriebsbereiche zu vermeiden.
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Aufgrund der gemachten Ausführungen ist davon auszugehen, dass die Momentenbegrenzung des Benzinmotors 1 nur bei den kritischen Betriebsparametern aktiv ist, in welchen unkontrollierte Verbrennungen tatsächlich aufgetreten sind. Dadurch wird sichergestellt, dass keinerlei unkontrollierte Verbrennungen während der gesamten Lebensdauer der Brennkraftmaschine auftreten und somit Beschädigungen der Brennkraftmaschine zuverlässig unterbunden werden.
