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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoranordnung mit einem mit gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor und einer Steuereinheit, ein auf der Steuereinheit hinterlegtes Computerprogrammprodukt sowie ein Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Aus der
DE 10 2021 133 918 A1 ist ein gasbetriebener Verbrennungsmotor bekannt, welcher ein Kurbelgehäusebelüftungssystem umfasst.
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Die
DE 10 2022 209 670 A1 offenbart einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor, der ebenfalls über eine Kurbelgehäusebelüftung umfasst, welche mit einem Wasserstoff- und Feuchtigkeitssensor kommuniziert und in Abhängigkeit gemessener Wasserstoff- und Feuchtigkeitskonzentrationen aktiviert wird, um die Konzentrationen unterhalb vorgegebener Schwellenwerte zu halten.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung umfasst einen mit gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor, welcher eine Brennkammer mit einer Zündkerze, einem Einlass- und einem Auslassventil und einen der Brennkammer zugeordneten Kraftstoffinjektor umfasst, wobei die Anordnung ferner eine Sensorik zur Erfassung von Messdaten, die mit einem Betriebszustand und/oder Betriebsparametern des Verbrennungsmotors zusammenhängen, einen Motorstarter und eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet und eingerichtet ist Messdaten der Sensorik zu empfangen, und anhand der Messdaten einen Betriebszustand und/oder Betriebsparameter des Verbrennungsmotors zu ermitteln, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit des Betriebszustands und/oder der Betriebsparameter zumindest einen Aufwärmvorgang der Zündkerze veranlasst, wobei der Aufwärmvorgang ein wiederholtes Aktivieren der Zündkerze vor einem in der Brennkammer eintretenden Verbrennungsvorgang umfasst.
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Dadurch, dass die Erfindung ein Aufwärmen der Zündkerze und des Brennraums vorsieht, kann einer Wasserkondensation an der Zündkerze und damit potenziellen Fehlzündungen bei kaltem Motor und widrigen Umgebungsbedingungen (in etwa Umgebungstemperaturen um den Gefrierpunkt) entgegengewirkt werden. Es ist bekannt, dass bei der Verbrennung von herkömmlichen auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kraftstoffen wie Benzin und Diesel neben Verbrennungsenergie und weiteren Nebenprodukten auch Wasser entsteht. Bei niedrigen Umgebungs- und Motortemperaturen, etwa bei einem Kaltstart, könnte an der Zündkerze eines Verbrennungsmotors Wasser auskondensieren. Dieses Wasser entzieht bei einem stattzufindenden Verbrennungsvorgang dem Kraftstoff-Luft-Gemisch Energie in Form von Verdampfungsenthalpie. Dieses Phänomen wird beispielsweise bei Motoren mit Wassereinspritzung genutzt, um die Verbrennungstemperatur zu senken und so einen Schadstoffausstoß zu regulieren.
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Der Energieentzug durch Verdampfungsenthalpie könnte bei niedrigen Umgebungs- und Motortemperaturen einen Verbrennungsvorgang be- oder gar verhindern, was in einer Fehlzündung oder allgemeiner im Betrieb des Motors in einem ungewollten Temperaturbereich resultieren kann.
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Durch das Bestreben den Kohlenstoffdioxidausstoß zu verringern gewinnen alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak und Methanol bzw. mit diesen Kraftstoffen betriebene Verbrennungskraftmaschinen an Bedeutung. Bei der Verbrennung der vormals genannten, alternativen Kraftstoffen entsteht pro verbranntem Luftsauerstoffmolekül mehr Wasser als bei der Verbrennung von Benzin oder Diesel, im Falle des Wasserstoffes mehr als doppelt so viel. Dies könnte beispielsweise in einer deutlich höheren Anfälligkeit für Fehlzündungen eines solchen Motors resultieren. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung könnte solchen Fehlzündungen oder anderen durch Wasseransammlung bedingten, nachteiligen Effekten entgegenwirken.
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Darüber hinaus wird durch eine Vorwärmung des Brennraums die Abgasendtemperatur nach einer Verbrennung erhöht, womit die Erwärmung eines etwaigen Abgasnachbehandlungssystems erleichtert werden kann.
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Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich beispielsweise um einen Hubkolbenmotor handeln, in dem nach oben durch einen Zylinderkopf abgeschlossener Zylinder und ein beweglicher Hubkolben eine Brennkammer definieren. Andere Motorkonzepte, wie ein Wankelmotor, sind allerdings auch denkbar. Der Kraftstoffinjektor kann im Ansaugtrakt in einer Luftzuleitung zu der Brennkammer angeordnet sein (PFI-Injektor), oder sich in der Brennkammer befinden (DI-Injektor), es kommt auch eine kombinierte Lösung in Frage, welche sowohl einen DI-Injektor als auch einen PFI-Injektor vorsieht. Die Sensorik umfasst eine Mehrzahl an Sensoren zur Erfassung verschiedener Betriebsparameter der Verbrennungsmotoranordnung, z.B. Temperatursensoren, Luftmassenstromsensoren oder Kurbelwellensensoren zur Ermittlung eines Drehwinkels oder einer Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Die Sensoren sind jeweils an geeigneter Stelle positioniert, um Messdaten zum jeweiligen Betriebsparameter zu erfassen und diese als Signale an die Steuereinheit der Anordnung weiterzuleiten. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt sämtliche zur Regelung der Verbrennungsmotoranordnung benötigten Signale zu empfangen (wie in etwa Sensormessdaten) und Befehlssignale zur Aktuatorsteuerung zu senden (z.B. zur Injektorsteuerung und Auslösen des Funkens der Zündkerze) und kann als eine einzelne Einheit ausgebildet sein oder mehrere Untereinheiten umfassen, welche in einem Fahrzeug verteilt sind und miteinander kommunizieren. Die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und den Sensoren und Aktuatoren oder zwischen Untereinheiten der Steuereinheit kann auf drahtlosen oder drahtgebundenen Signalen beruhen.
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Der Aufwärmvorgang wird vor einem in der Brennkammer stattfindenden Verbrennungsvorgang durchgeführt, das heißt vor einem Öffnen der Einlassventile bzw. einer Kraftstoffeinspritzung. Auf diese Weise wird ein ordnungsgemäßer Motorbetrieb gewährleistet und etwa unbeabsichtigte Rückzündungen oder Frühzündungen in der Brennkammer vermieden. Ein Aufwärmvorgang meint ein mehrfaches Erzeugen eines Zündfunkens vor einem stattfindenden Verbrennungsvorgang in der Brennkammer, also vor einer Öffnung der Einlassventile. In diesem Sinne können also beispielsweise bei einem Motorstart, bei dem der Motor mehrere Arbeitszyklen durchläuft, auch mehrere Aufwärmvorgänge stattfinden.
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Vorzugsweise umfassen die Betriebsparameter in Abhängigkeit derer die Steuereinheit den Aufwärmvorgang veranlasst eine Öltemperatur, eine Kühlmitteltemperatur, eine Ladelufttemperatur, eine Umgebungstemperatur des Motors, eine Zündkerzentemperatur, eine Brennraumtemperatur oder eine Kombination hiervon, wobei der Aufwärmvorgang in Abhängigkeit des Ergebnisses eines Vergleichs der Betriebsparameter mit entsprechenden Schwellenwerten oder Sollwerten durchgeführt wird.
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Die genannten Betriebsparameter können entweder unmittelbar aus Messdaten von einem zugeordneten Sensor der Sensorik bestimmt werden oder aber aus Berechnungen der Steuereinheit. In etwa könnte eine Ladelufttemperatur mit einem Sensor bestimmt werden, welcher in einem Ansaugtrakt des Motors in Luftströmungsrichtung nach einem Verdichter und einem Ladeluftkühler angeordnet ist. Alternativ könnte die Ladelufttemperatur auch von der Steuereinheit aus einem Sensormesswert für eine Umgebungstemperatur des Motors (z.B. erfasst von einem vor einem Ladeluftkühler und einem Verdichter angeordneten Sensor) unter Berücksichtigung einer Kühlleistung eines etwaigen Ladeluftkühlers und einem durch eine Verdichtung hervorgerufenen Temperaturanstieg errechnet werden. Nach Ermittlung eines oder mehrerer der Betriebsparameter kann der Aufwärmvorgang von der Steuereinheit veranlasst werden, sofern beispielsweise die Ladelufttemperatur unterhalb eines Schwellen- oder Sollwertes liegt.
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Durch die Veranlassung des Aufwärmvorgangs in Abhängigkeit der vorgenannten Betriebsparameter ist vorteilhafterweise die Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes für den Aufwärmvorgang und die Verhinderung der Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie zum Betrieb der Zündkerze möglich.
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Bevorzugt werden durch die Steuereinheit Steuergrößen des Aufwärmvorgangs anhand der Größe der Abweichung der Betriebsparameter von entsprechenden Schwellen- oder Sollwerten eingestellt, wobei die Steuergrößen eine Anzahl der Zündvorgänge oder die Dauer eines Aufladevorgangs einer Zündspule der Zündkerze umfassen.
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Die Dauer eines Aufladevorgangs der Zündspule legt die Menge an elektrischer Energie fest, welche in der Zündspule deponiert wird, bevor diese, z.B. durch Aktivierung eines Schalters, in einem Zündfunken freigesetzt wird. Somit kann auch die thermische Energie pro Zündvorgang reguliert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine Anzahl der Zündvorgänge verändert werden, je nach dem wie stark die Zündkerze erwärmt werden sollte. Entsprechende Werte der Steuergrößen für gewisse Betriebsparameterabweichungen, z.B. eine Ladeluft- und Kühlmitteltemperaturabweichung, können in Kennfeldern hinterlegt sein. Alternativ kann auch ein mathematisches Modells verwendet werden, welches für eine zu erzielende Temperaturänderung innerhalb eines gewissen Zeitraums, also etwa nach einer bestimmten Anzahl an Aufwärmvorgängen, eine in der Zündkerze zu deponierende Energiemenge und daraus resultierende Werte der Steuergrößen angibt.
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Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass etwa bei einer stärkeren Temperaturabweichung eine höhere Energiemenge in kürzerer Zeit an der Zündkerze freigesetzt werden kann und so eine effektivere Erwärmung und daher auch Vermeidung der vormals genannten Nachteile einer kalten Zündkerze vermieden werden könnten.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgelegt und eingerichtet anhand von Messdaten der Sensorik oder ermittelten Betriebsparametern und unter Verwendung eines Temperaturmodells eine Zündkerzentemperatur und/oder eine Brennraumtemperatur zu schätzen.
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Mit Temperaturmodell ist an dieser Stelle ein mathematisches Modell gemeint, welches anhand von Eingangsparametern und unter Zuhilfenahme mathematischer Methoden, etwa Lösen von Gleichungen, bei Ausgangsparametern angelangt. Das Temperaturmodell kann hierbei auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium der Steuereinheit abgelegt sein. Als Eingangsparameter kommen hierbei zum Beispiel eine Ladelufttemperatur und eine Kühlmitteltemperatur in Frage, wobei auch weitere Eingangsparameter wie z.B. eine Drehzahl des Motors mit verarbeitet werden können, etwa um eine damit einhergehende Erwärmung der Brennkammer und Zündkerze zu berücksichtigen.
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Die Verwendung einer geschätzten Zündkerzentemperatur oder Brennraumtemperatur erlaubt vorteilhafterweise eine besonders effiziente Anpassung der zu erzeugenden Wärmemenge, um eine Wasserkondensation an der Zündkerze zu vermeiden, wobei gleichzeitig auf eine Verwendung von aufwändig zu platzierenden Temperatursensoren zur Bestimmung der Temperaturen der Zündkerze oder der Brennkammer verzichtet werden kann.
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Bevorzugt wird mindestens ein Aufwärmvorgang während einem Motorstart oder einer andauernden Schubphase des Motors durchgeführt. Diese Betriebszustände können auf einfache Weise von der Steuereinheit erfasst werden, z.B. über die Betätigung einer Motorzündung oder Aktivierung eines Bordstromsystems eines Fahrzeugs im Falle eines Motorstarts oder über abfallende Motorlast und eine ausbleibende Fahrerdrehmomentanforderung im Falle einer andauernden Schubphase. Die Veranlassung eines Aufwärmvorgangs in Abhängigkeit der Betriebszustände kann bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Betriebsparameter stattfinden, das heißt z.B. in Abhängigkeit einer Ladelufttemperatur, oder aber losgelöst hiervon. Auf diese Weise kann bei einer Fehlfunktion von zur Betriebsparameterermittlung benötigten Bauteilen wie bestimmten Sensoren, dennoch ein Aufwärmvorgang initiiert werden. In diesem Fall könnten für die Steuergrößen Aufwärmvorgangs auf beliebige, aber vorher festgelegte Standardwerte eingestellt werden.
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Vorzugsweise wird mindestens ein Aufwärmvorgang während i) einer Motorstillstandsphase A des Motorstarts oder ii) einer Anlaufphase B des Motorstarts durchgeführt, während der Motor durch den Motorstarter betrieben wird oder iii) einer Leerlaufphase C des Motorstarts durchgeführt, in der der Motor bereits selbsttätig arbeitet.
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Aufwärmvorgänge während der Motorstillstandsphase A können die Vorteile aufweisen, dass eine Batterie, welche zum Betrieb der Zündkerze und des Motorstarters genutzt wird, kaum belastet ist, dass genügend Zeit für Aufwärmvorgänge vorhanden ist und keine nachteilige Kühlung der Zündkerze durch frische Ladeluft stattfinden kann. Andererseits ist nachteilig, dass in dieser Phase der Steuereinheit noch keine eindeutige Information zur aktuellen Position der Einlass- und Auslassventile vorliegt und sich durch etwa Undichtigkeiten von Injektoren Restkraftstoff während des Stillstands des Motors in der Brennkammer angesammelt haben kann.
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In der Anlaufphase B wird der Motor durch den Motorstarter gedreht. Aufwärmvorgänge während der Anlaufphase B des Motorstarts erlauben vorteilhafterweise, dass eine Aktivierung der Zündkerze in Abhängigkeit eines gemessenen Kurbelwellenwinkels und somit bei definierter Ventilposition stattfinden kann. Auf diese Weise kann, durch Aussetzen der Kraftstoffinjektion für einige Arbeitszyklen, z.B. zwei, sichergestellt werden, dass Restkraftstoff aus der Brennkammer entfernt wird. Ein weiterer Vorteil von Aufwärmvorgängen in der Anlaufphase B ist eine vernachlässigbare Verlängerung des Motorstartvorgangs. Potenzielle Nachteile sind jedoch eine verhältnismäßig starke Beanspruchung der Batterie und eine Abkühlung der Zündkerze durch die angesaugte Ladeluft.
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In der Leerlaufphase C, welche an die Anlaufphase B anschließt, sind Kurbelwelle und Nockenwelle vollständig synchronisiert und der Motor arbeitet selbsttätig bei Leerlaufdrehzahl ohne Unterstützung des Motorstarters. Aufwärmvorgänge in der Leerlaufphase C haben den Vorteil, dass jeglicher Restkraftstoff aus der Brennkammer entfernt wurde und die zum Betrieb der Zündkerze verwendete Batterie durch den Wegfall des Betriebs des Motorstarters weniger stark in Anspruch genommen wird. Nachteilig kann jedoch sein, dass die Motorstartprozedur verlängert wird, da bei Aufwärmvorgängen während der Leerlaufphase C für einen gewissen Zeitraum ein Betrieb des Motors bei Leerlaufdrehzahl erzwungen wird, bis eine gewisse Anzahl an Aufwärmvorgängen stattgefunden hat oder aber ein Temperatur-Betriebsparameter einen Sollwert erreicht hat.
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Aufwärmvorgänge können in jeder der Phasen A, B oder C stattfinden, was beispielsweise auch Aufwärmvorgänge in Phasen A und B oder B und C des Motorstarts einschließt.
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Bevorzugt ordnet die Steuereinheit die Anzahl der Aufwärmvorgänge und deren Durchführung in den Phasen A, B und C in Abhängigkeit der Betriebsparameter an, wobei zusätzlich der Ladezustand oder Zustand der Tüchtigkeit der Batterie berücksichtigt wird, wobei bei hinreichendem Ladezustand oder Zustand der Tüchtigkeit der Batterie besonders bevorzugt Aufwärmvorgänge in der Anlaufphase B des Motorstarts durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Aufwärmvorgänge und deren Zuordnung zu den Phasen A, B und C mithilfe einer auf der Steuereinheit hinterlegten Kostenfunktion optimiert werden oder aber alternativ mittels Kennfeldern festgelegt sein. Hierdurch ist eine effiziente Aufwärmung der Zündkerze möglich ohne eine übermäßige Belastung der Batterie.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betrieb der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung ausgelegt, wird mithilfe der Steuereinheit ausgeführt und umfasst einen oder mehrere der folgenden Schritte: - Erfassen eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors mithilfe der Sensorik; - Erfassen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors mithilfe der Sensorik; - Bestimmen anhand eines Vegleichs der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mit Schwellen- oder Sollwerten, ob Aufwärmvorgänge einer Zündkerze durchzuführen sind; - Festlegen einer Anzahl von Aufwärmvorgängen und Steuergrößen der Aufwärmvorgänge anhand des Betriebszustands des Verbrennungsmotors und/oder der Betriebsparameter; und - Durchführen einer festgelegten Anzahl an Aufwärmvorgängen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile erreicht, wie durch die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren einen Schritt zur Überprüfung der zur Bestimmung der Betriebsparameter benötigten Teile der Sensorik auf Funktionstüchtigkeit.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Computerprogrammprodukt kann insbesondere auf der Steuereinheit des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung abgespeichert sein und von dieser ausgeführt werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 a ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung,
- 1 b ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Verbrennungsmotoranordnung und
- 3 eine Darstellung der Motorstartphasen eines Motorstarts.
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung 1000, welche einen Verbrennungsmotor 1 aufweist. Der Verbrennungsmotor 1 ist hier ein mit Wasserstoff betriebener Hubkolbenmotor mit sechs Zylindern 10 in Reihenkonfiguration, wobei jeder Zylinder 10 jeweils eine ihm zugeordnete Zündkerze 4, einen Injektor 5 und zwei Einlassventile 6 und Auslassventile 7 aufweist und wobei jeder Injektor 5 innerhalb eines Zylinders 10 angeordnet ist (DI-Injektor). In den Zylindern 10 sind mit einer Kurbelwelle verbundene Hubkolben angeordnet, wobei der Kurbelwelle ein Kurbelwellensensor 14 zugeordnet ist, welcher eine Drehzahl und eine Drehgeschwindigkeit des Motors 1 erfassen kann. Ein Kühlmitteltemperatursensor 12 dient zur Detektion einer Kühlmitteltemperatur des Motors 1 und ist hierzu an einer geeigneten Position im Zylinderkopf des Motors 1 verbaut. Ein Motorstarter 1a ist wirkverbunden, hier über ein nicht näher beschriebenes Getriebe, mit der Kurbelwelle des Motors 1 verbunden. Der Motorstarter wird aus einer Batterie 40 mit Energie gespeist, wobei der Batterie 40 ein Spannungssensor 15 zugeordnet ist, mit dessen Hilfe Spannungscharakteristiken erfasst und von einer Steuereinheit 100 in Ladezustand oder einen Tüchtigkeitszustand der Batterie 40 übersetzt werden können.
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Weiterhin verfügt die Verbrennungsmotoranordnung 1000 über einen Ansaugtrakt 2 und einen Abgastrakt 3, wobei der Motor 1 über eine Luftzuführleitung 20 mit Luft versorgt wird. Außerdem ist im Ansaugtrakt 2 ein Verdichter 22a, ein Ladeluftkühler 23, eine Drosselklappe 24 sowie ein Ladelufttemperatursensor 13 zur Detektion einer Ladelufttemperatur angeordnet. Der Abgastrakt umfasst eine Abgasleitung 21, welche vom Motor 1 zu einer Turbine 22b führt, wobei die Turbine 22b über eine Welle mit dem Verdichter 22a verbunden ist und von einem Abgasstrom über einen Bypass 21b umgangen werden kann. Turbine 22b und Verdichter 22a können von einem Elektromotor angetrieben werden, welcher mit der Welle der Verdichter-Turbine-Einheit wirkverbunden ist. Darüber hinaus ist eine nicht näher beschriebene Abgasnachbehandlung 25 im Abgastrakt 3 angeordnet.
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Der Motor 1 wird über eine Kraftstoffhauptleitung 31 mit Kraftstoff, hier Wasserstoff, versorgt, wobei die Kraftstoffhauptleitung 31 an ein Verteilerrohr 32 anschließt und wiederum Kraftstoffrohre 33 den Wasserstoff zu den Injektoren 5 leiten.
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Die Steuereinheit 100 steuert sämtliche Aktoren der Verbrennungsmotoranordnung 1000 wie etwa die Drosselklappe 24, den Elektromotor des Verdichters 22a, die Injektoren 5, die Zündkerzen 4 oder den Motorstarter 1a über entsprechende Steuerbefehle und ermittelt ebenfalls durch Analyse von Messdaten einer Sensorik 11 Betriebsparameter und einen Betriebszustand der Verbrennungsmotoranordnung 1000. Die Sensorik 11 umfasst unter anderem den Kühlmitteltemperatursensor 12, den Ladelufttemperatursensor 13 und den Kurbelwellensensor 14 sowie den Spannungssensor 15. Weitere, einem Fachmann geläufige und nicht näher beschriebene Sensoren und Transmitter sind ebenfalls Teil der Sensorik 11, etwa Sensoren, die einen Pedalweg eines Gaspedals erfassen oder aber den Zustand einer Motorzündung angeben. Die Steuereinheit 100 ist hier als eine einzelne Vorrichtung dargestellt, kann in alternativen Ausführungsbeispielen aber auch aus mehreren miteinander kommunizierenden Untereinheiten bestehen.
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Die Steuereinheit 100 ist ausgebildet und eingerichtet, mindestens einen Aufwärmvorgang in Abhängigkeit des Betriebszustands und der Betriebsparameter des Motors 1, wobei die Steuereinheit anhand des Signals des Kurbelwellensensors 14 sicherstellt, dass Aufwärmvorgänge ausschließlich vor einem in den Zylindern stattfindenden Verbrennungsvorgang des Luft-Kraftstoff-Gemisches stattfindet, das heißt, vor einer Öffnung der Einlassventile 6 und Einspritzung von Kraftstoff durch die Injektoren 5. Ein von einem Prozessor lesbare Steuerbefehle enthaltendes Computerprogrammprodukt, welches auf einem nicht flüchtigen Speicher 110 der Steuereinheit 100 hinterlegt ist, befähigt die Steuereinheit 100, das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Erwärmung der Zündkerzen 4 der Verbrennungsmotoranordnung 1000 durchzuführen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, zum Betrieb der Verbrennungsmotoranordnung 1000 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels (1). Zunächst wird in einem ersten Schritt S101 von der Steuereinheit 100 überprüft, ob die zur Ermittlung der Ladelufttemperatur und Kühlmitteltemperatur Sensoren 13, 14 und 16 ordnungsgemäß arbeiten, wobei dies anhand einer hier nicht näher beschriebenen, geeigneten Plausibilitätsprüfung geschieht. Ist die Prüfung in Schritt S101 positiv, so schließt sich ein Schritt S102a an. In Schritt S102a wird anhand Messdaten der Sensorik 11 der Betriebszustand des Motors 1 ermittelt. Das heißt, es wird überprüft, ob ein Motorstart durchzuführen ist oder nicht. Ist ein Motorstart durchzuführen, so fährt die Steuereinheit mit den Schritten S103b-S105b fort, andernfalls mit den Schritten S103c-S105c.
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In Schritt S103b wird vor dem Motorstart anhand der gemessenen Ladelufttemperatur und der Kühlmitteltemperatur mittels eines auf der Steuereinheit abgespeicherten Temperaturmodells 120 Zündkerzentemperaturen geschätzt, im darauffolgenden Schritt S104b werden die geschätzten Zündkerzentemperaturen mit einem Schwellenwert verglichen und bei einer Abweichung der geschätzten Temperaturen unterhalb des Schwellenwerts von der Steuereinheit 100 die Durchführung mindestens eines Aufwärmvorgangs veranlasst. Andernfalls wird von Aufwärmvorgängen abgesehen, so kann etwa bei einem durch eine Start-Stop-Automatik bedingten Motorstart nach einer unmittelbar vorher stattgefundenen Motorabschaltung ein unnötiges Aktivieren der Zündkerzen 4 und eine damit einhergehende Belastung der Batterie 40 und ein Verschleiß der Zündkerzen 4 verhindert werden.
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Falls in Schritt S104b Aufwärmvorgänge vorgesehen bzw. veranlasst wurden, werden in Schritt S105b die Steuergrößen der Aufwärmvorgänge, die Anzahl der Aufwärmvorgänge und deren Verteilung auf die Phasen A, B und C des Motorstarts festgelegt und zwar in Abhängigkeit der Größe der Abweichung der Zündkerzentemperaturen vom entsprechenden Schwellenwert. Die Phasen A, B und C des Motorstarts sind in 3 gezeigt und wurden bereits erläutert. Die Steuergrößen der Aufwärmvorgänge sind in diesem Ausführungsbeispiel konstant, können in alternativen Ausführungen des Verfahrens aber über die Dauer des Motorstarts hinweg variieren.
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Bei der Ermittlung der Steuergrößen der Aufwärmvorgänge, deren Anzahl und Verteilung auf die Phasen A, B und C greift die Steuereinheit 100 abermals auf das Temperaturmodell 120 zurück. Dabei gehen nun neben der anfänglichen Messwerte für die Ladelufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur auch deren Veränderungen während des Motorstarts ein, wobei die Veränderungen durch einen Betrieb des Verdichters 22a, des Ladeluftkühlers 23 und der Zündkerzen 4 und des Motors 1 insgesamt während der Aufwärmvorgänge und der Verbrennungsvorgänge hervorgerufen werden. Weitere Eingangsparameter in das Temperaturmodell 120 sind dann die voraussichtliche Drehzahl des Motors 1 und des Verdichters 22a während des Motorstarts und die Kühlleistung des Ladeluftkühlers 23. Im Wesentlichen wird also von der Steuereinheit 100 eine Energiebilanz des Motorstarts aufgestellt, welche durch Anpassung der Steuergrößen der Aufwärmvorgänge und deren Anzahl und Verteilung auf die Phasen des Motorstarts, dahingehend optimiert wird, um durch eine einzubringende Energiemenge die gewünschte Temperaturerhöhung der Zündkerzen 4 zu erreichen.
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Von der Steuereinheit 100 wird neben den Betriebsparametern des Motors 1 auch der Ladungszustand der Batterie 40 berücksichtigt, wobei dieser aus Messdaten des Spannungssensors 15 ermittelt wird. Ist der Ladungszustand hinreichend hoch, so wird bei einer Verteilung der Aufwärmvorgänge auf die Phasen, die Anlaufphase B des Motorstarts bevorzugt. Das heißt, dass bei einer einzubringender Energiemenge, welche nicht Aufwärmvorgänge vor jedem Verbrennungsvorgang in allen drei Phasen A, B und C voraussetzt, die Phase B besonders bevorzugt belegt wird. Ist der Ladungszustand der Batterie 40 oberhalb eines Schwellenwertes wird zunächst Phase B voll belegt, dann Phase C und schließlich Phase A. In alternativen Ausführungsbeispielen des Verfahrens können auf der Steuereinheit hinterlegte Kennfelder herangezogen werden, die eine Verteilung der Aufwärmvorgänge für bestimmte zu einzubringende Wärmemengen und Ladungszustände der Batterie 40 angeben. In wiederum anderen Ausführungsbeispielen kann eine Kostenfunktion zur Optimierung der Verteilung der Aufwärmvorgänge herangezogen werden. Dabei ordnet diese Kostenfunktion in Abhängigkeit des Ladungszustands der Batterie 40 einem Aufwärmvorgang in jeder der Phasen bestimmte Kosten zu, etwa höhere Kosten für Phase B bei niedrigem Ladungszustand, und wobei in Phase A höhere Kosten bei längerer Stillstandszeit des Motors 1 zugeordnet werden und Phase C Kosten für eine Verlängerung des Motorstartvorgangs zugeordnet werden. Eine Minimierung der Kosten führt sodann zu einer optimierten Verteilung des Aufwärmvorgänge auf die einzelnen Phasen in diesem alternativen Ausführungsbeispiel.
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Im auf den Schritt S105b folgenden Schritt S106 werden die Aufwärmvorgänge gemäß der bestimmten Steuergrößen, der bestimmten Anzahl und deren Verteilung auf die Phasen durchgeführt. Nach Abschluss des Schrittes S106, also der Durchführung aller Aufwärmvorgänge, wird das Verfahren wieder bei einem der Schritte S102 fortgesetzt, je nachdem Ergebnis der Initialisierung in Schritt S101. Ergab die Prüfung in Schritt S104b, dass keine Aufwärmvorgänge durchzuführen sind, so werden in Schritten S105b und S106 auch keine weiteren Aktionen von der Steuereinheit veranlasst und ebenfalls das Verfahren bei den Schritten S102 fortgesetzt. Das Verfahren und die Prüfung, ob Aufwärmvorgänge durchzuführen sind, läuft also während des Betriebs der Verbrennungsmotoranordnung 1000 fortwährend weiter.
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Wurde in Schritt S102a festgestellt, dass der Motor gestartet wurde und demnach bereits arbeitet, folgt Schritt S103c. In Schritt S103c werden in Analogie zu Schritt S103b von der Steuereinheit 100 anhand der gemessenen Ladelufttemperatur und der Kühlmitteltemperatur mittels des Temperaturmodells 120 Zündkerzentemperaturen geschätzt, wobei da der Motor bereits arbeitet auch eine Drehzahl des Motors und damit bereits einhergehende Verbrennungsvorgänge in den Zylindern 10 und hierdurch erzeugte Wärme bei der Schätzung der Zündkerzentemperaturen mitberücksichtigt wird. In Schritt S104c werden die geschätzte Zündkerzentemperatur mit einem Schwellenwert verglichen und bei einer Abweichung der geschätzten Temperaturen unterhalb des Schwellenwerts von der Steuereinheit 100 die Durchführung mindestens eines Aufwärmvorgangs veranlasst.
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In Schritt S105c werden die Steuergrößen der Aufwärmvorgänge und, falls ein Aufwärmvorgang zwischen zwei Verbrennungsvorgängen im Zylinder 10 nicht ausreichen sollte, eine Anzahl der Aufwärmvorgänge festgelegt. Dies geschieht wiederum in Abhängigkeit der Größe der Abweichung der Zündkerzentemperaturen vom entsprechenden Schwellenwert. In Analogie zu Schritt S105b wird von der Steuereinheit 100 eine einzubringende Energiemenge bestimmt, um durch den durchzuführenden Aufwärmvorgang bzw. die Aufwärmvorgänge die gewünschte Temperaturerhöhung der Zündkerzen 4 zu erreichen. In Schritt S106 wird gemäß der Berechnungen in Schritt S105c die Erwärmung der Zündkerzen 4 durch deren Aktivierung bewirkt.
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Sollte in Schritt S101 festgestellt werden, dass zumindest einige der Sensoren der Sensorik 11, welche zur Durchführung der Schritte S103b,c bis S105b,c benötigt werden, eine Fehlfunktion aufweisen, wird das Verfahren stattdessen mit den Schritten S102d und S105d fortgesetzt. In Schritt S102d wird der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 ermittelt, das heißt es wird festgestellt, ob der Motor zumindest unter Teillast arbeitet, sich in einem Schubbetrieb befindet oder ein Motorstart durchzuführen ist. Ein durchzuführender Motorstart wird trivialerweise von der Steuereinheit 100 erkannt. Eine Schubphase kann durch ein Ausbleiben eines Drehmomentwunsches bzw. ein unbetätigtes Gaspedal erkannt werden, wobei eine Dauer der Schubphase bei der Entscheidung berücksichtigt werden kann, ob Aufwärmvorgänge durchzuführen sind. Die Dauer kann durch einen einfachen Zähler erfasst und festgehalten werden.
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Im folgenden Schritt S105d werden in Abhängigkeit des Betriebszustands Aufwärmvorgänge durchgeführt. Bei einem Betrieb des Motors 1 unter Teillast oder Volllast werden keine Aufwärmvorgänge durchgeführt, bei einem Motorstart oder Schubbetrieb des Motors 1 greift die Steuereinheit auf zuvor festgelegte Standardparameter für die Steuergrößen der Aufwärmvorgänge und deren Anzahl für die jeweiligen Betriebszustände zu. Nachfolgend werden in Schritt S106 die benötigten Aufwärmvorgänge durchgeführt.
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In 1b ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Verbrennungsmotoranordnung 1000 abgebildet, welche sich nur dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet, dass kein Ladelufttemperatursensor 13 vorhanden ist und stattdessen ein Umgebungstemperatursensor 16 in Luftströmungsrichtung vor dem Verdichter 22a angeordnet ist. Das zweite Ausführungsbeispiel der Verbrennungsmotoranordnung 1000 wird mithilfe eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben. Da dieses zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten entspricht, wird an dieser wieder auf die 2 verwiesen und lediglich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
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Durch das Fehlen des Ladelufttemperatursensor 13 werden stattdessen die Messdaten des Umgebungstemperatursensors 16 verwendet. Mithilfe eines Submodells, welches auf dem Speicher 110 der Steuereinheit 100 hinterlegt ist, wird eine Ladelufttemperatur berechnet. Bei der Berechnung werden die Erwärmung der angesaugten Luft durch die Kompression im Verdichter 22a über dessen Drehzahl berücksichtigt und weiterhin die Kühlleistung des Ladeluftkühlers 23. Diese Berechnung wird in den Schritten S103b,c bei der Schätzung der Zündkerzentemperatur durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021133918 A1 [0002]
- DE 102022209670 A1 [0003]
