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Die Erfindung geht aus von einem
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines
Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes
Steuergerät
für eine
Brennkraftmaschine sowie eine entsprechende Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 199 22 748 A1 ist es
bekannt, die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit zwei verschiedenen
Kraftstoffarten zu betreiben. Die Umschaltung zwischen den Kraftstoffarten
erfolgt dabei in Abhängigkeit
von den erzeugten Emissionen. Insbesondere soll durch die Umschaltung
eine Reduktion der Schadstoffemissionen erreicht werden.
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In der
DE 199 22 748 A1 werden
nur die Emissionen der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Weitere Eigenschaften
der Brennkraftmaschine, die durch das Umschalten zwischen den verschiedenen Kraftstoffarten
beeinflusst werden könnten,
sind in der genannten Druckschrift des Stands der Technik nicht
berücksichtigt.
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Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines
Kraftfahrzeugs zu schaffen, mit dem ein Umschalten der Brennkraftmaschine
zwischen verschiedenen Kraftstoffarten ohne Weiteres und insbesondere
ohne jegliche Auswirkungen auf die Brennkraftmaschine durchgeführt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
durch eine Beeinflussung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
eine Änderung
des Drehmoments der Brennkraftmaschine beim Umschalten weitgehend
vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird das Umschalten der Brennkraftmaschine
zwischen verschiedenen Kraftstoffarten derart durchgeführt, dass
im Wesentlichen keine Drehmomentänderungen
oder gar Drehmomentsprünge
entstehen. Die Eigenschaften der Brennkraftmaschine, insbesondere
deren Laufruhe, werden somit durch das Umschalten nicht beeinflusst.
Insbesondere hat das Umschalten zwischen den verschiedenen Kraftstoffarten
keinerlei Ruck oder dergleichen und damit keinerlei negative Auswirkungen
auf das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs zur Folge.
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Bei vorteilhaften Weiterbildungen
der Erfindung werden der Umschaltzeitpunkt oder die Umschaltzeitpunkte
und/oder der Luftmassenstrom und der Zündwinkel und/oder das Luftverhältnis beeinflusst.
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So ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Zylinder der Brennkraftmaschine zeitlich nacheinander umgeschaltet
werden. Damit wird erreicht, dass mögliche Drehmomentänderungen,
die durch die Umschaltung an sich hervorgerufen werden würden, auf verschiedene
Zeitpunkte aufgeteilt werden. Die einzelnen Drehmomentänderungen
werden somit wesentlich geringer und treten zeitlich nacheinander auf.
Dies ergibt insgesamt einen weitgehend gleichbleibenden Drehmomentverlauf
der Brennkraftmaschine.
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Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird die Umschaltung während eines Schiebebetriebs
der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Ein derartiger Schiebebetrieb liegt bspw, vor, wenn das Kraftfahrzeug
ein Gefälle hinunterfährt, der
Fahrer des Kraftfahrzeugs das Fahrpedal nicht betätigt und
das Getriebe des Kraftfahrzeugs nicht ausgekuppelt ist. Ein derartiger Schiebebetrieb
kann auch dann erzeugt werden, wenn das Kraftfahrzeug auf eine rote
Ampel zurollt. In diesem Zustand betätigt der Fahrer üblicherweise nicht
das Fahrpedal und das Getriebe ist ebenfalls nicht ausgekuppelt.
In einem derartigen vorhandenen oder gezielt erzeugten Schiebebetrieb
wird erfindungsgemäß die Umschaltung
zwischen einer Kraftstoffeinspritzung und einer Gaszuführung oder
umgekehrt durchgeführt.
Während
des Schiebebetriebs hat eine derartige Umschaltung keinerlei Auswirkung auf
das Drehmoment der Brennkraftmaschine. Eine Drehmomentänderung
oder gar ein Drehmomentsprung tritt damit nicht auf.
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Weiterhin ist es in besonders vorteilhafter Weise
möglich,
bei einer Umschaltung den Luftmassenstrom und den Zündwinkel
zu beeinflussen. Auf diese Weise kann bei einer Umschaltung der
an sich vorhandene Sprung zwischen dem durch die Kraftstoffeinspritzung
erzeugten Drehmoment und dem durch die Gaszuführung erzeugten Drehmoment
vermieden werden. Es wird dabei ein während der Kraftstoffeinspritzung
an sich vorhandenes erhöhtes Drehmoment
durch eine Spätverstellung
des Zündwinkels
kompensiert. Damit wird letztlich erreicht, dass das Drehmoment
der Brennkraftmaschine während
des gesamten Umschaltvorgangs weitgehend konstant bleibt.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, nach einer Umschaltung von einer Kraftstoffeinspritzung
zu einer Gaszuführung
oder umgekehrt die Gaszuführung
kurvenförmig
auszuschalten oder einzuschalten. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass
die Auswirkungen eines Kraftstoff-Wandfilms, der sich im Ansaugrohr
der Brennkraftmaschine bildet, durch den kurvenförmigen Verlauf des Einschaltens
oder Ausschaltens der Gaszuführung
kompensiert werden.
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Schließlich ist es vorteilhafterweise
möglich, dass
das Luftverhältnis
während
bzw. nach einer Umschaltung verändert
wird. Auf diese Weise kann insbesondere eine Umschaltung von einer
Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung während einer Volllast der Brennkraftmaschine
durchgeführt
werden. In diesem Fall wird das Luftverhältnis der Gaszuführung nach
der Umschaltung nach "fett" verändert,
um auf diese Weise eine Drehmomenterhöhung und damit insgesamt ein
im Wesentlichen gleichbleibendes Drehmoment während der gesamten Umschaltung zu
erreichen.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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1 zeigt
ein schematisches Blockbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 zeigt
ein schematisches Zeitdiagramm von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
der 1,
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3 zeigt
einen schematischen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine der 1,
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4 zeigt
einen schematischen Ablaufplan eines Teils des Verfahrens der 3,
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5a und 5b zeigen schematische Zeitdiagramme
von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine der 1,
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6 zeigt
ein schematisches Zeitdiagramm einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine der 1 bei einer Weiterbildung
des Verfahrens der 3,
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7 zeigt
ein schematisches Zeitdiagramm einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine der 1 bei einer Weiterbildung
des Verfahrens der 3,
und
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8 zeigt
einen schematischen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine der 1.
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In der 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs dargestellt,
bei der ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 hin
und her bewegbar ist. Der Zylinder 12 ist mit einem Brennraum 13 versehen, der
unter anderem durch den Kolben 11, ein Einlassventil 14 und
ein Auslassventil 15 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 14 ist
ein Ansaugrohr 16 und mit dem Auslassventil 15 ist
ein Abgasrohr 17 verbunden. Ebenfalls ist dem Brennraum 13 eine
Zündkerze 18 zugeordnet.
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In dem Ansaugrohr 16 ist
eine Drosselklappe 19 untergebracht, über die dem Brennraum 13 Luft zuführbar ist.
Die Menge der zugeführten
Luft ist abhängig
von der Winkelstellung der Drosselklappe 19. In dem Abgasrohr 17 ist
ein Katalysator 20 enthalten.
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Zwischen der Drosselklappe 19 und
dem Einlassventil 14 sind in dem Ansaugrohr 16 zwei
Einspritzventile 21, 22 vorgesehen. Das erste
Einspritzventil 21 ist zur Einspritzung von Kraftstoff,
insbesondere von Benzin vorgesehen. Das zweite Einspritzventil 22 ist
zur Einspritzung von Gas, insbesondere Propan oder Erdgas vorgesehen.
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Für
die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist
ein Steuergerät 23 vorhanden.
Dem Steuergerät 23 sind
eine Mehrzahl von Eingangssignalen 24 zugeführt, die
Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10 entsprechen. Dabei kann es sich bspw.
um die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10, die Temperatur
des Zylinders 12 und dergleichen handeln. In Abhängigkeit
von den Eingangssignalen 24 erzeugt das Steuergerät 23 eine
Mehrzahl von Ausgangssignalen 25. Mit diesen Ausgangssignalen 25 werden
die Funktionen der Brennkraftmaschine 10 beeinflusst. So
werden in Abhängigkeit
von den Ausgangssignalen 25 bspw. die Zündkerze 18, insbesondere
deren Zündzeitpunkt,
oder die Einspritzventile 21, 22, insbesondere
deren Einspritzbeginn und Einspritzdauer, oder die Winkelstellung
der Drosselklappe 19 oder dergleichen eingestellt.
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Zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist
das Steuergerät 23 mit
einem Computerprogramm versehen. Das Computerprogramm weist eine
Vielzahl von Programmbefehlen auf, die dazu geeignet sind, die nachfolgend
beschriebenen Verfahren auszuführen.
Zur Ausführung ist
dabei ein Computer in dem Steuergerät 23 vorhanden, der
mit einem elektronischen Speichermedium, bspw. mit einem Flash-Memory
versehen ist, auf dem das Computerprogramm abgespeichert ist.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 kann von
einer Einspritzung von Kraftstoff über das Einspritzventil 21 zu
einem Zuführen
von Gas über
das Einspritzventil 22 umgeschaltet werden. Entsprechend
kann auch wieder von einer Gaszuführung zu einer Kraftstoffeinspritzung
zurückgeschaltet
werden.
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Der Kraftstoff und das Gas haben üblicherweise
unterschiedliche Brennwerte. Dies führt dazu, dass ohne besondere
Maßnahmen
beim Umschalten zwischen einer Einspritzung von Kraftstoff und einer Zuführung von
Gas oder umgekehrt ein Sprung des Drehmoments der Brennkraftmaschine 10 entsteht. Weiterhin
weist das zugeführte
Gas ein größeres Volumen
auf als der eingespritzte Kraftstoff. Dies führt dazu, dass von dem zugeführten Gas
eine größere Luftmenge
im Ansaugrohr 16 verdrängt
wird. Die Luftfüllung
des Brennraums 13 der Brennkraftmaschine 10 vermindert
sich somit bei einem Umschalten von einer Einspritzung von Kraftstoff
zu einer Zuführung
von Gas und umgekehrt. Auch dies führt zu einem Sprung des Drehmoments
der Brennkraftmaschine 10.
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Die vorliegende Erfindung stellt
Verfahren zur Verfügung,
mit denen ein Sprung des Drehmoments der Brennkraftmaschine 10 bei
einem Umschalten zwischen einer Einspritzung von Kraftstoff und
einem Zuführen
von Gas oder umgekehrt möglichst
weitgehend vermieden wird.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der 2 dargestellt.
Dort ist die Einspritzung von Kraftstoff und die Zuführung von
Gas für
die Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine
jeweils über der
Zeit t dargestellt. Die Einspritzung von Kraftstoff ist mittels
einer durchgezogenen Linie und die Zuführung von Gas mittels einer
gestrichelten Linie gekennzeichnet.
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In einem Zeitpunkt UA wird die Umschaltung von
einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung angefordert. Dies hat
gemäß der 2 zur Folge, dass in dem
Zeitpunkt UA die Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder Z1
abgeschaltet und in demselben Zeitpunkt die Zuführung von Gas in den Zylinder
Z1 eingeschaltet wird. Nach Ablauf einer Zeitdauer T1 wird dieselbe
Umschaltung für
den Zylinder Z2 durchgeführt.
Nach Ablauf einer weiteren Zeitdauer T1 wird dieselbe Umschaltung
für den
Zylinder Z3 durchgeführt.
Nach einer weiteren Zeitdauer T1 wird schließlich dieselbe Umschaltung
für den
Zylinder Z4 durchgeführt.
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Insgesamt sind somit alle vier Zylinder
Z1, Z2, Z3, Z4 innerhalb von drei Zeitdauern T1 nach dem Zeitpunkt
UA von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung umgeschaltet.
Durch diese zeitlich aufeinander folgende Umschaltung der einzelnen Zylinder
Z1, Z2, Z3, Z4 der vierzylindrigen Brennkraftmaschine 10 ergeben
sich nur noch geringfügige Sprünge des
Drehmoments der Brennkraftmaschine 10 während der gesamten Umschaltung.
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Die Zeitdauer T1 kann als Festwert
vorgegeben werden. Sie kann dabei durch Versuche auf einen Wert
eingestellt werden, bei dem die entstehenden Drehmomentschwankungen
beim Umschalten von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung am
geringsten sind. Ebenfalls ist es möglich, die Zeitdauer T1 in
Abhängigkeit
von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine,
bspw. der Temperatur des Zylinders 12 oder der Drehzahl
der Brennkraftmaschine 10 zu verändern.
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Das anhand der 2 erläuterte
Verfahren kann in entsprechender Weise auch bei einer Umschaltung
von einer Gaszuführung
zu einer Krafstoffeinspritzung angewendet werden.
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In der 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Umschalten der Brennkraftmaschine 10 von einer Kraftstoffeinspritzung
zu einer Gaszuführung
oder umgekehrt dargestellt. Wie nachfolgend erläutert ist, werden bei diesem
Verfahren die einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine 10 zeitlich
aufeinander folgend umgeschaltet. Insoweit stimmt das Verfahren der 3 mit dem Zeitdiagramm der 2 überein.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass es bei den Verfahren der 3 auch
möglich
ist, alle Zylinder der Brennkraftmaschine 10 gleichzeitig
oder zumindest nahezu gleichzeitig umzuschalten. Dies wird nachfolgend
nicht näher
erläutert,
ist jedoch ohne Weiteres dadurch zu erreichen, dass das anhand der 3 beschriebene Verfahren
für die
einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 quasi zeitgleich
abläuft.
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Das Verfahren der 3 wird mit einem Block 30 gestartet,
um danach in einem Block 31 abzufragen, ob eine Umschaltanforderung
vorliegt. Dabei kann es sich um eine Anforderung für eine Umschaltung
von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder umgekehrt von einer
Gaszuführung
zu einer Kraftstoffeinspritzung handeln.
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Ist dies der Fall, so wird in einem
Block 32 die erwünschte
Umschaltung für
den ersten Zylinder der Brennkraftmaschine 10 vorbereitet
und durchgeführt. Dies
wird nachfolgend anhand der 4 und 5 noch detailliert erläutert werden.
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In einem Block 33 wird abgefragt,
ob die Zeitdauer T1 bereits abgelaufen ist. Ist dies nicht der Fall, so
wird die Vorbereitung und Durchführung
der Umschaltung mittels des Blocks 32 fortgesetzt. Ist
jedoch die Zeitdauer T1 abgelaufen, so wird die Umschaltung des
ersten Zylinders ohne eine weitere Vorbereitung sofort durchgeführt.
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Die Zeitdauer T1 entspricht der Zeitdauer
T1 der 2. Durch die
Abfrage 33 wird somit erreicht, dass die Umschaltung des
ersten Zylinders der Brennkraftmaschine 10 spätestens
nach Ablauf der Zeitdauer T1 in jedem Fall durchgeführt wird.
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In einem nachfolgenden Block 34 wird
nunmehr die Umschaltung des zweiten Zylinders der Brennkraftmaschine 10 vorbereitet
und durchgeführt. In
einer nachfolgenden Abfrage wird wiederum überprüft, ob die Zeitdauer T1 bereits
erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird – wie bereits im Zusammenhang
mit dem ersten Zylinder der Brennkraftmaschine 10 erläutert worden
ist – die
Vorbereitung und Durchführung
des zweiten Zylinders mittels des Blocks 34 fortgesetzt.
Ist jedoch die Zeitdauer T1 erreicht, so wird der zweite Zylinder
ohne eine weitere Fortsetzung der Vorbereitung durch den Block 34 sofort
umgeschaltet.
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Dieses Verfahren wird gemäß der 3 für alle Zylinder der Brennkraftmaschine 10 nacheinander
durchgeführt.
Das Verfahren endet dann schließlich
nach der Umschaltung des letzten Zylinders der Brennkraftmaschine 10 mit
dem Block 35.
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Bei dem Verfahren der 3 wird eine vierzylindrige
Brennkraftmaschine somit innerhalb von vier Zeitdauern T1 von einer
Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder umgekehrt umgeschaltet. In
jeder der vier Zeitdauern T1 ist einer der Blöcke 32, 34 usw.
wirksam, mit dem die Zylinder der Brennkraftmaschine 10 nacheinander
auf die Umschaltung vorbereitet und dann umgeschaltet werden. Dauert die
Vorbereitung der Umschaltung in einem der Zylinder zu lange, so
wird durch die Blöcke 33 usw.
und die dort erfolgende Überwachung
erreicht, dass der jeweilige Zylinder in jedem Fall nach Ablauf
der Zeitdauer T1 umgeschaltet wird.
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Durch die Vorbereitung der Umschaltung
in den Blöcken 32 und 34 wird
erreicht, dass der Drehmomentsprung bei der Umschaltung eines einzelnen Zylinders
wesentlich geringer ist als ohne die genannte Vorbereitung. Insgesamt
wird somit der Sprung bei der Umschaltung der Brennkraftmaschine
10 von
einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder umgekehrt vermindert.
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In der 4 ist
ein Verfahren dargestellt, das eine Umschaltung von einer Kraftstoffeinspritzung
zu einer Gaszuführung
oder umgekehrt vorbereitet und durchführt. Das Verfahren der 4 kann somit beispielhaft
jeweils anstelle der Blöcke 32, 34 usw.
der 3 eingesetzt werden.
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Das Verfahren der 4 wird nachfolgend mit Hilfe der 5a und 5b erläutert. Es wird darauf hingewiesen,
dass sich die 4, 5a und 5b immer nur auf einen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 beziehen.
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Soll ein Zylinder der Brennkraftmaschine 10 von
einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder umgekehrt umgeschaltet
werden, so wird gemäß der 4 in einem Block 41 die
Füllung
des Zylinders bei Kraftstoffeinspritzung ermittelt. Entsprechend
wird in einem Block 42 die Füllung des Zylinders bei Gaszuführung ermittelt.
Für beide
Berechnungen können
Modelle der Brennkraftmaschine 10, insbesondere Modelle
für die
Füllung
des Brennraums 13 mit einem Luft/Kraftstoff-Gemisch bzw. Luft/Gas-Gemisch
herangezogen werden.
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In einem Block 43 wird das
aus der Zylinderfüllung
entstehende Drehmoment bei Kraftstoffeinspritzung ermittelt. Entsprechend
wird in einem Block 44 das aus der Zylinderfüllung resultierende
Drehmoment bei Gaszuführung
ermittelt. Beide Berechnungen der Blöcke 43 und 44 können wiederum
mit Hilfe von Modellbildungen durchgeführt werden.
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In einem nachfolgenden Block 45 wird
geprüft,
ob das bei Kraftstoffeinspritzung gemäß dem Block 43 entstehende Drehmoment
gleich ist dem bei Gaszuführung
gemäß dem Block 44 entstehenden Drehmoment.
Ist dies nicht der Fall, so wird das Verfahren der 4 mit dem Block 46 fortgesetzt.
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Ist hingegen eine Gleichheit des
Drehmoments bei Kraftstoffeinspritzung und bei Gaszuführung erreicht,
so wird das Verfahren mit dem Block 47 fortgesetzt. Die
Blöcke 46 und 47 sind
dabei davon abhängig,
ob von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder
umgekehrt umgeschaltet wird.
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Nachfolgend wird zuerst die Umschaltung der
Brennkraftmaschine 10 von einer Einspritzung von Kraftstoff
zu einer Zuführung
von Gas anhand der 5a näher erläutert.
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In der 5a sind
die Winkelstellung DKW der Drosselklappe 19, der über die
Drosselklappe 19 strömende
Luftmassenstrom LS, die Spätverstellung des
Zündwinkels
ZW sowie das Einspritzsignal TIK für den Kraftstoff und das Einspritzsignal
TIG für
das Gas jeweils über
der Zeit t aufgetragen.
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Bei der Umschaltung von einer Kraftstoffeinspritzung
zu einer Gaszuführung
würde ohne
irgendwelche Gegenmaßnahmen
ein Sprung zu einem kleineren Drehmoment entstehen. Dies ergibt
sich daraus, dass aufgrund des Heizwerts und der geringeren Luftfüllung bei
Gas bei einer gleichbleibenden Winkelstellung DKW der Drosselklappe 19 das
Gas ein geringeres Drehmoment erzeugen würde als der Kraftstoff.
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In einem Zeitpunkt UA wird die Umschaltung der
Brennkraftmaschine 10 von der Kraftstoffeinspritzung auf
die Gaszuführung
angefordert. Gemäß der 5a wird in diesem Zeitpunkt
die Drosselklappe 19 geöffnet
und damit die Winkelstellung DKW sprungartig erhöht. Dies hat zur Folge, dass
mehr Luft über die
Drosselklappe 19 strömt,
so dass der zu dem Brennraum gelangende Luftmassenstrom LS sich langsam
erhöht.
Die langsame Erhöhung
resultiert dabei aus dem Weg, den die Luft von der Drosselklappe 19 bis
zum Brennraum 13 zurücklegen
muss.
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Gemäß der 5a wird im Zeitpunkt UA Kraftstoff eingespritzt,
jedoch kein Gas zugeführt. Dies
ergibt sich aus den Einspritzsignalen TIK und TIG. Aufgrund der
Kraftstoffeinspritzung und der sich vergrößernden Luftmasse würde an sich
ein ansteigendes Drehmoment für
den zugehörigen
Zylinder entstehen. Dieses ansteigende Drehmoment wird jedoch durch
eine Spätverstellung
des Zündwinkels ZW
kompensiert. Dies ergibt sich in der 5a aus dem
Verlauf des Zündwinkels
ZW.
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Die beschriebene Änderung der Winkelstellung
DKW der Drosselklappe 19 sowie Spätverstellung des Zündwinkels
ZW wird in dem Block 46 der 4 durchgeführt. Die
entsprechenden Änderungen
werden in der Berechnung der Zylinderfüllung und in der Berechnung
des entstehenden Moments in den Blöcken 41 und 43 entsprechend
berücksichtigt.
Entsprechend wird in den Blöcken 42 und 44 die Veränderung
der Winkelstellung DKW der Drosselklappe 19 auch für die Gaszuführung berücksichtigt.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass in den Blöcken 42 und 44 die
Spätverstellung
des Zündwinkels
ZW nicht berücksichtigt
wird.
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Dies hat zur Folge, dass – wie erläutert wurde – das von
der Kraftstoffeinspritzung erzeugte Drehmoment aufgrund der Spätverstellung
des Zündwinkels
ZW im Wesentlichen gleich bleibt. Das in den Blöcken 42 und 44 für die Gaszuführung ermittelte
Drehmoment steigt jedoch aufgrund der Veränderung der Winkelstellung
DKW der Drosselklappe 19 langsam an. Dieses Ansteigen resultiert
daraus, dass in den Blöcken 42 und 44 die
Spätverstellung des
Zündwinkels
ZW – wie
gesagt – nicht
berücksichtigt
wird.
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In dem Block 45 nähert sich
somit das für eine
Gaszuführung über die
Blöcke 42 und 44 ermittelte
Drehmoment langsam dem für
die Kraftstoffeinspritzung momentan vorliegenden und über die
Blöcke 41 und 44 berechneten
Drehmoment an. Diese Annährung
wird – wie
beschrieben – so
lange über den
Block 46 fortgesetzt, bis das momentane, aus der Kraftstoffeinspritzung
resultierende Drehmoment gleich ist dem für eine Gaszuführung ermittelten Drehmoment.
Ist dies der Fall, wird – wie
gesagt – das
Verfahren der 4 mit
dem Block 47 fortgesetzt.
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In dem Block 47 erfolgt
die eigentliche Umschaltung von der Kraftstoffeinspritzung zu der
Gaszuführung.
Dies entspricht dem Zeitpunkt U in der 5a. In diesem Zeitpunkt U wird gemäß der 5a einerseits die Einspritzung
von Kraftstoff gemäß dem Einspritzsignal
TIK beendet und die Zuführung
von Gas gemäß dem Einspritzsignal
TIG begonnen. Gleichzeitig wird in dem Zeitpunkt U die Spätverstellung
des Zündwinkels
ZW wieder zurückgenommen
und der Zündwinkel
ZW wird auf denjenigen Wert eingestellt, der für die Gaszuführung dem
nunmehr vorliegenden Luftmassenstrom LS entspricht. Der Luftmassenstrom
LS sinkt dabei aufgrund der Luftverdrängung durch das Gas etwas ab.
Die Umschaltung von einer Einspritzung von Kraftstoff zu einer Zuführung von
Gas ist damit abgeschlossen.
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Die Blöcke 41 bis 46 der 4 dienen zusammenfassend
der Vorbereitung der vorgenannten Umschaltung. Diese Vorbereitung
wurde bereits im Zusammenhang mit den Blöcken
32, 34 der 3 erwähnt. Die Vorbereitung dient
dazu, einen möglichen Sprung
des Drehmoments bei der Umschaltung möglichst auf Null zu vermindern.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Luftmassenstrom LS auf einen Wert
verändert
wird, mit dem die nachfolgende Gaszuführung dasselbe Drehmoment erzeugen
kann wie die momentane Kraftstoffeinspritzung. Während der Kraftstoffeinspritzung
wird jedoch die Erhöhung
des Luftmassenstroms LS durch eine Spätverstellung des Zündwinkels
ZW kompensiert. Insgesamt ergibt sich damit während des gesamten Zeitablaufs
der Umschaltung von der Kraftstoffeinspritzung zu der Gaszuführung ein
im Wesentlichen gleichbleibendes Drehmoment des zugehörigen Zylinders.
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In der 5b ist
die Umschaltung von einer Gaszufuhr zu einer Kraftstoffeinspritzung
dargestellt. Die aufgetragenen Signale der 5b entsprechen den Signalen der 5a. Das zu der 5b zugehörige Verfahren ergibt sich
wiederum aus der 4.
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Für
eine Umschaltung von einer Gaszuführung zu einer Kraftstoffeinspritzung
werden die Blöcke 41 bis 45 der 4 in gleicher Weise durchlaufen wie
dies bereits erläutert
worden ist. Der dabei auftretende Zeitpunkt UA ist in der 5b ebenfalls angegeben.
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Bei der Umschaltung von einer Gaszuführung zu
einer Kraftstoffeinspritzung würde
ohne irgendwelche Gegenmaßnahmen
ein Sprung zu einem größeren Drehmoment
entstehen. Dies ergibt sich daraus, dass bei einer gleichbleibenden
Winkelstellung DKW der Drosselklappe 19 der Kraftstoff
ein höheres
Drehmoment erzeugen würde
als das Gas.
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In dem Block 46 der 4 wird zur Vorbereitung
der eigentlichen Umschaltung diejenige Spätverstellung des Zündwinkels
ZW ermittelt, die erforderlich ist, um bei dem momentan vorhandenen
Luftmassenstrom LS das durch eine Kraftstoffeinspritzung erzeugte
Drehmoment auf denjenigen Wert zu vermindern, der momentan tatsächlich durch
die Gaszuführung
erzeugt wird. Ist diese Spätverstellung des
Zündwinkels
ZW berechnet, so wird in dem Zeitpunkt U die eigentliche Umschaltung
von der Gaszuführung
zu der Kraftstoffeinspritzung durchgeführt. Dies hat zu Folge, dass
das Verfahren der 4 in dem
Block 47 fortgesetzt wird.
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Gemäß der 5b wird in dem Zeitpunkt U und damit
in dem Block 47 einerseits die Zuführung von Gas gemäß dem Einspritzsignal
TIG beendet und andererseits die Einspritzung von Kraftstoff gemäß dem Einspritzsignal
TIK begonnen. Gleichzeitig wird die Winkelstellung DKW der Drosselklappe 19 sprungartig
vermindert. Dies hat zur Folge, dass der Luftmassenstrom LS langsam
abnimmt. Diese Abnahme ergibt sich wiederum aus dem Weg, den die Luft
von der Drosselklappe 19 bis zu dem Brennraum 13 zurücklegen
muss.
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Wie erläutert wurde, hätte die
Kraftstoffeinspritzung gemäß dem Einspritzsignal
TIK zusammen mit dem momentan vorhandenen Luftmassenstrom LS einen
Sprung zu einem größeren Drehmoment zur
Folge. Dies wird dadurch kompensiert, dass der Zündwinkel ZW gemäß den vorherigen
Berechnungen im Block 46 nach spät verstellt wird. Diese Spätverstellung
beginnt in dem Zeitpunkt U und ist in der 5b entsprechend dargestellt.
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Die Spätverstellung des Zündwinkels
ZW wird danach langsam wieder zurückgeführt, und zwar etwa in gleicher
Weise wie der Luftmassenstrom LS abnimmt. Nach einer gewissen Zeitdauer
nehmen der Luftmassenstrom LS und der Zündwinkel ZW diejenigen Werte
ein, mit denen bei der Kraftstoffeinspritzung dasselbe Drehmoment
erzeugt wird wie zuvor bei der Gaszuführung erzeugt worden ist. Die Umschaltung
von der Gaszuführung
auf die Kraftstoffeinspritzung ist damit abgeschlossen.
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Die vorstehend anhand der 3 bis 5 beschriebenen
Umschaltungen von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung und
umgekehrt ermöglichen
es, einen Sprung des Drehmoments bei einer derartigen Umschaltung
nahezu vollständig
zu vermeiden. Es ergibt sich damit ein nahezu gleichbleibender Drehmomentverlauf
bei der Umschaltung. Dies gilt für
den jeweiligen Zylinder und damit für die gesamte Brennkraftmaschine 10.
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Es wird an dieser Stelle nochmals
darauf hingewiesen, dass die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 nicht
nur – wie
dies im Zusammenhang mit der 2 dargestellt
ist – nacheinander
umgeschaltet werden können,
sondern dass es ebenfalls möglich
ist, alle Zylinder der Brennkraftmaschine 10 quasi zeitgleich
umzuschalten. Durch das Verfahren der 3 bis 5 wird dabei erreicht, dass selbst bei
einer derartigen, quasi gleichzeitigen Umschaltung sich nahezu keine
Drehmomentänderung
oder Drehmomentschwankung bei dem Umschalten ergibt.
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In der 6 ist
eine Weiterbildung der Ausführungsbeispiele
der 2 bis 5 dargestellt. In der 6 ist das Einspritzsignal TIG für die Gaszuführung und
das Einspritzsignal TIK für
die Kraftstoffeinspritzung über
der Zeit aufgetragen. Weiterhin ist der Umschaltzeitpunkt U angegeben,
in dem von einer Gaszuführung
zu einer Kraftstoffeinspritzung umgeschaltet wird. Wie sich aus
der 6 ergibt, wird vor dem Umschaltzeitpunkt
U die Brennkraftmaschine 10 mit Gas betrieben. Erst im
Umschaltzeitpunkt U wird gemäß dem Einspritzsignal
TIK der 6 die Kraftstoffeinspritzung
sprungartig eingeschaltet.
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Im Unterschied zu der 5b, wo im Umschaltzeitpunkt
U nicht nur die Kraftstoffeinspritzung sprungartig eingeschaltet,
sondern auch die Gaszuführung
sprungartig ausgeschaltet wird, ist in der 6 vorgesehen, die Gaszuführung gemäß dem Einspritzsignal
TIG im Umschaltzeitpunkt U nicht sprungartig zu beenden, sondern
ausgehend von dem Umschaltzeitpunkt U kurvenförmig auf Null herunterzufahren.
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Durch dieses kurvenartige Herunterfahren der
Gaszuführung
nach dem Umschaltzeitpunkt U gemäß dem Einspritzsignal
TIG der 6 wird Folgendes
erreicht:
Während
des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoff bildet
sich an den Innenwänden
des Ansaugrohrs 16 ein sog. Wandfilm. Durch diesen Wandfilm
wird somit Kraftstoff innerhalb des Ansaugrohrs 16 gespeichert.
Während
des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 mit Gas baut sich
dieser Wandfilm wieder ab und ist nicht mehr vorhanden. Bei einer nachfolgenden
Umschaltung der Brennkraftmaschine 10 von einer Gaszuführung auf
eine Kraftstoffeinspritzung muss sich der Wandfilm somit wieder
erneut aufbauen. Dies bedeutet, dass unmittelbar nach dem Umschalten
zur Kraftstoffeinspritzung sich der Kraftstoff zuerst an den Innenwänden des
Ansaugrohrs 16 niederschlägt. Dieser im Ansaugrohr 16 verbleibende
Kraftstoff fehlt somit bei dem Kraftstoff/Luft-Gemisch, das dem
Brennraum 13 der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Dies wird bei der Weiterbildung der 6 dadurch ausgeglichen,
dass die Gaszuführung
gemäß dem Einspritzsignal
TIG nicht sprungartig abgeschaltet wird, sondern – wie erläutert wurde – kurvenförmig gegen
Null heruntergefahren wird. Durch dieses kurvenförmige Herunterfahren wird somit
der durch den Aufbau des Wandfilms fehlende Kraftstoff kompensiert.
Es wird also unmittelbar nach dem Umschaltzeitpunkt U noch für eine gewisse
Zeit Gas zugeführt,
um damit denjenigen Kraftstoff auszugleichen, der in den Aufbau
des Wandfilms eingeht.
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Wird in einem späteren Zeitpunkt wieder von der
Kraftstoffeinspritzung auf die Gaszuführung zurückgeschaltet, so wird in diesem
späteren
Zeitpunkt der sich nunmehr abbauende Wandfilm erneut berücksichtigt.
Dies erfolgt dadurch, dass bei diesem späteren Zurückschalten die Kraftstoffeinspritzung sprungartig
abgeschaltet wird, die Gaszuführung
jedoch nicht sprungartig eingeschaltet, sondern kurvenförmig in
ihren eingeschalteten Zustand überführt wird.
Auf diese Weise wird der sich abbauende und dem Brennraum 13 zugeführte Kraftstoff
des Wandfilms durch eine anfängliche
Minderung der Gaszuführung
kompensiert.
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Bei der Weiterbildung der 6 wird somit der Aufbau
und der Abbau von Kraftstoff-Wandfilmen durch entsprechende kurvenförmige Verläufe des Ein-
und Ausschaltens der Gaszuführung
ausgeglichen. Die kurvenförmigen
Verläufe
können
dabei mit Hilfe von Modellrechnungen für den Aufbau und Abbau des
Wandfilms ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung der Kraftstoff-Wandfilme
beim Umschalten von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung und
umgekehrt werden Schwankungen oder gar Sprünge des Drehmoments der Brennkraftmaschine 10 vermieden.
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In der 7 ist
ein Zeitdiagramm dargestellt, das eine Alternative zu dem Vorgehen
der 6 darstellt. In
der
7 ist wiederum das
Einspritzsignal TIG für
die Gaszuführung
und das Einspritzsignal TIK für
die Kraftstoffeinspritzung über
der Zeit t aufgetragen. Ebenfalls ist der Umschaltzeitpunkt U angegeben.
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Wie aus der 7 hervorgeht, erfolgt dort nach dem Umschaltzeitpunkt
U ein rampenförmiges Ausschalten
des Einspritzsignals TIG für
die Gaszuführung
und ein rampenförmiges
Einschalten des Einspritzsignals TIK für die Kraftstoffeinspritzung.
Auf diese Weise wird ein langsamer, aber stetiger Übergang
von der Gaszuführung
zu der Kraftstoffeinspritzung erreicht. Der Wandfilm wird dadurch
relativ langsam aufgebaut, so dass dies weitgehend keine Einwirkung
auf das von der Brennkraftmaschine 10 erzeugte Drehmoment
hat.
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In entsprechender Weise kann auch
der Übergang
von einer Kraftstoffeinspritzung auf eine Gaszuführung jeweils rampenförmig erfolgen.
Auch in diesem Fall wird durch den langsamen Übergang erreicht, dass der
Abbau des Wandfilms zu keinen Drehmomentsprüngen oder Schwankungen führt.
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Im Unterschied zu der 6 ist bei der Weiterbildung
der 7 keine modellartige
Berechnung des Wandfilms erforderlich. Stattdessen erfolgen die Übergänge von
der Kraftstoffeinspritzung zu der Gaszuführung und umgekehrt durch einfach
zu implementierende Rampenfunktionen.
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Eine weitere Ausgestaltung der bisher
beschriebenen Verfahren besteht darin, dass nicht nur der Luftmassenstrom
LS und der Zündwinkel
ZW beeinflusst wird, wie dies im Zusammenhang mit den 5a und 5b erläutert wurde, sondern dass zusätzlich das
Luftverhältnis
(Lambda) verändert
wird.
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Soll die Brennkraftmaschine 10 bspw.
bei Volllast von einer Kraftstoffeinspritzung auf eine Gaszuführung umgeschaltet
werden, so ist diese Umschaltung nicht ohne Weiteres möglich, da
das Gas üblicherweise
einen geringeren Wirkungsgrad als der Kraftstoff aufweist. Durch
diesen geringeren Wirkungsgrad ist es bei Gaszuführung nicht ohne Weiteres möglich, das
mit Kraftstoffeinspritzung bei Volllast erzeugte Drehmoment ebenfalls
zu erzeugen. Dies kann jedoch dadurch erreicht werden, dass für die Gaszuführung das
Luftverhältnis
geändert
wird.
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So ist es möglich, für die Gaszuführung ein "fettes"
Luftverhältnis
zu wählen,
bspw. Lambda = 0,9. Daraus ergibt sich für die Gaszuführung ein
höheres
Drehmoment. Weiterhin kann durch diese Maßnahme der Zündwinkel
zusätzlich
nach "früh" verstellt
werden, was wiederum eine Steigerung des Drehmoments zur Folge hat.
Damit ist es insgesamt möglich,
durch die Veränderung
des Luftverhältnisses
eine Umschaltung bei Volllast von einer Kraftstoffeinspritzung zu
einer Gaszuführung
zu realisieren.
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In der 8 ist
ein schematischer Ablaufplan eines Verfahrens zur Steuerung und/oder
Regelung der Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Mit dem
Verfahren der 8 ist
eine Umschaltung der Brennkraftmaschine 10 von einer Kraftstoffeinspritzung
auf eine Gaszuführung
oder umgekehrt von einer Gaszuführung
auf eine Kraftstoffeinspritzung möglich.
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Das Verfahren der 8 wird mit einem Block 80 gestartet,
um danach in einem Block 81 zu überprüfen, ob eine Umschaltanforderung
vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so ist das Verfahren der 8 beendet. Liegt hingegen
eine Umschaltanforderung vor, so wird das Verfahren mit einem Block 82 fortgesetzt.
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In dem Block 82 wird geprüft, ob sich
die Brennkraftmaschine 10 in einem Betriebszustand befindet,
der üblicherweise
als Schubbetrieb oder Schubabschaltung und besser als Schiebebetrieb bezeichnet
wird. Ein derartiger Schiebebetrieb liegt bspw. vor, wenn das Kraftfahrzeug
ein Gefälle
hinunterfährt,
wenn eine Wirkverbindung zwischen den Rädern des Kraftfahrzeugs und
der Brennkraftmaschine 10 des Kraftfahrzeugs besteht, wenn
also insbesondere das Getriebe des Kraftfahrzeugs nicht ausgekoppelt
ist, wenn in die Brennkraftmaschine 10 des Kraftfahrzeugs
kein Kraftstoff und kein Gas zugeführt wird, wenn also insbesondere
der Fahrer des Kraftfahrzeugs das Fahrpedal desselben nicht betätigt, und
wenn auf diese Weise die Brennkraftmaschine 10 das Kraftfahrzeug
nicht antreibt, sondern stattdessen die Brennkraftmaschine 10 aufgrund
des Hangabtriebs selbst angetrieben wird.
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Die Überprüfung des Blocks 82 wird
von dem Steuergerät 23 durchgeführt. Hierzu
prüft das
Steuergerät 23 die
entsprechenden Eingangssignale 24 der Brennkraftmaschine 10 bzw.
des zugehörigen Kraftfahrzeugs.
Wird von dem Steuergerät 23 erkannt,
dass ein Schiebebetrieb vorliegt, so wird in den Block 83 übergegangen.
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In dem Block 83 wird die
Brennkraftmaschine 10 entsprechend der in dem Block 81 überprüften Umschaltanforderung
umgeschaltet. Es erfolgt also in dem Block 83 entweder
eine Umschaltung von einer Kraftstoffeinspritzung zu einer Gaszuführung oder
umgekehrt von einer Gaszuführung
zu einer Kraftstoffeinspritzung. Die Umschaltung erfolgt dabei vorzugsweise
sprungartig, kann jedoch auch rampenförmig oder kurvenförmig durchgeführt werden. Es
können
alle Zylinder der Brennkraftmaschine 10 quasi gleichzeitig
umgeschaltet werden oder es können
die Zylinder der Brennkraftmaschine 10 auch nacheinander – z. B.
entsprechend der 2 umgeschaltet
werden.
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Aufgrund des vorliegenden Schiebebetriebs hat
die in dem Block 83 durchgeführte Umschaltung keinerlei
Einfluss auf das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment.
Es entstehen also keinerlei Drehmomentschwankungen oder Drehmomentsprünge während der
Umschaltung in dem Block 83.
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Wird in dem Block 82 von
dem Steuergerät 23 festgestellt,
dass kein Schiebebetrieb momentan vorliegt, so wird diese Überprüfung des
Blocks 82 so lange fortgesetzt, bis ein Schiebebetrieb
erkannt wird. Sobald ein derartiger Schiebebetrieb dann von dem
Steuergerät 23 erkannt
wird, wird die angeforderte Umschaltung durchgeführt.
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Ggf. ist es möglich, in dem zuletzt genannten Fall,
also wenn kein Schiebebetrieb in dem Block 82 erkannt wird,
einen derartigen Schiebebetrieb gezielt auszulösen. Dies kann bspw. – zumindest
kurzzeitig – dadurch
erreicht werden, dass bei einer Anfahrt auf eine rote Ampel ein
Schiebebetrieb durchgeführt wird.
Bei einer derartigen Anfahrt auf eine rote Ampel betätigt der
Fahrer des Kraftfahrzeugs üblicherweise nicht
das Fahrpedal. Es erfolgt somit keine Kraftstoffeinspritzung oder
Gaszuführung.
Weiterhin ist das Ausrollen des Kraftfahrzeugs in Richtung zu der
roten Ampel mit dem Hinunterfahren eines Gefälles vergleichbar. Insoweit
ist es zumindest kurzzeitig möglich,
während
dieses Ausrollens des Kraftfahrzeugs in den Schiebebetrieb umzuschalten,
um dann während
dieses Schiebebetriebs von einer Kraftstoffeinspritzung auf eine
Gaszuführung
oder umgekehrt von einer Gaszuführung
auf eine Kraftstoffeinspritzung umzuschalten.