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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs
5.
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Zur
Zumessung einer Verbrennungsluft bei einer Brennkraftmaschine mit
Fremdzündung
ist in einem Einlasskanal eine steuerbare Drosselklappe angeordnet.
Bei modernen Brennkraftmaschinen mit elektronischer Motorsteuerung
wird ein Öffnungsgrad
dieser Drosselklappe meist durch ein Kennfeld gesteuert, das in
Abhängigkeit
von verschiedenen Betriebskenngrößen, unter
anderem einer Fahrpedalstellung und eines Saugrohrdrucks den Öffnungsgrad
steuert. Zur Verbesserung eines Drehmomentverlaufs von Brennkraftmaschinen
eignen sich variable Saugrohrlängen,
bspw. mittels einer Saugrohrumschaltung. Hierbei sind z. B. in Abhängigkeit
von Motorlast, Drehzahl und Drosselklappenstellung verschiedene
Maßnahmen
möglich,
nämlich
ein stufenloses Verstellen der Schwingrohrlänge, ein Umschalten zwischen
verschiedenen Schwingrohrlängen,
ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Schwingrohrdurchmessern,
ein wahlweises Abschalten eines Einzelrohres je Zylinder bei Mehrfachschwingrohren oder
das Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen. Mit einer solchen
Beeinflussung des Saugrohrvolumens lässt sich entweder die Fahrdynamik verbessern
und/oder der Kraftstoffverbrauch bei gleicher Fahrdynamik senken.
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Für Brennkraftmaschinen
mit acht Brennräumen
und mehr und einer aufwendigen Motorsteuerung werden typischerweise
zwei Steuergeräte
eingesetzt. Diese arbeiten dann meist in einem sogenannten Master-Slave-Modus.
Jedes Steuergerät kann
eines von wenigstens zwei Drosselklappenteilen steuern und regeln.
Die Saugrohre zur Versorgung der typischerweise zwei Zylinderbänke sind gasseitig
getrennt, so dass jede Zylinderbank ein eigenes Saugrohr aufweist.
Soll im Interesse einer möglichst
kompakten Bauform und einer einfacheren Saugrohrlängenvariation
ein gemeinsames Saugrohr für
mehrere Zylinderbänke
verwendet werden, ist eine Steuerung der Drosselklappen in der oben
beschriebenen Weise ungünstig,
da die beiden Steuergeräte
auf getrennte Drosselklappenteile zugreifen würden. Für das gemeinsame Saugrohr kann
eine Rückmeldung über den
Zustand des Motors bzw. des Saugrohrdrucks oder des Drehmoments
nicht mehr ge währleistet
werden. Zudem ist eine Master-Slave-Anordnung mit einem redundanten
Steuergerät für ein sogenanntes
E-Gas System ein sicherheitsrelevanter Gesichtspunkt.
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Aus
der
DE 32 07 596 A1 ist
eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Saugrohr
bekannt, die zwei in dem Saugrohr schwenkbare Drosselklappen aufweist.
Die beiden Drosselklappen sind bewegungsabhängig voneinander derart gesteuert,
dass bis zu einem gewissen Teillastbereich der Brennkraftmaschine
nur die erste Drosselklappe geöffnet
ist und die Verbrennungsluft ausschließlich durch einen ein Unterdrucksignal
liefernden Venturiabschnitt strömt,
und dass bei einem weiteren Öffnen
die zweite Drosselklappe öffnet
und einen zusätzlichen
Saugrohrquerschnitt freigibt. Eine Drosselsteuerung für eine mehrzylindrische
Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen ermöglicht eine Arbeitsweise, bei
der eine Zylindergruppe ständig
arbeitet, wogegen eine zweite Zylindergruppe im Teillastbetrieb
inaktiv ist. Zur Steuerung der beiden Zylindergruppen sind Drosselklappen
mit Kurvenscheiben vorgesehen. Eine Anordnung von Drosselklappen
im Saugrohr einer Brennkraftmaschine ist schließlich aus der
DE 37 12 927 A1 bekannt.
Für die Leistungssteuerung
der Brennkraftmaschine sind zwei unabhängig voneinander gesteuerte
Drosselklappen vorgesehen, deren eine willkürlich betätigbar ist und deren andere
elektronisch gesteuert wird. Um die Drosselklappen möglichst
platzsparend anordnen zu können,
ist eine konzentrische Anordnung der Schwenkachsen beider Drosselklappen
vorgesehen.
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Die
DE 32 28 393 C2 zeigt
in der
1 ein Ansaugrohr mit zwei getrennten Kanälen, wobei
jeder Kanal eine Klappe aufweist, wobei die Klappen unabhängig voneinander
betrieben werden. Die erste Klappe wird in Abhängigkeit von der Fahrpedalstellung
gesteuert, die zweite Klappe in Abhängigkeit der Druckdifferenz
im zweiten Kanal vor und nach der zweiten Klappe sowie weiterer
Betriebsparameter. Die Messung einer Druckdifferenz an dieser Stelle
ist nicht geeignet, die Strömungsgeschwindigkeit
der Ansaugluft im Saugrohr zu bestimmen, da insbesondere bei geschlossener
zweiter Klappe die gesamte Ansaugluft über den parallel verlaufenden
ersten Kanal strömt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, das eine Beeinflussung
von Drosselklappen in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine mittels
zweier Steuergeräte
ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Brennkraftmaschine
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. durch eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs
5 gelöst,
bei dem ein Öffnungsgrad
eines ersten Klappenteils einer Vorrichtung zur Zumessung einer
Ansaugluftmenge in Abhängigkeit
wenigstens eines von einer Fahrpedalstellung sowie ggf. weiterer Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine vorgegebenen Betriebsparameters gesteuert wird.
Gleichzeitig wird ein Öffnungsgrad
des zweiten Klappenteils in Abhängigkeit
des Saugrohrdruckverhältnisses
sowie der Fahrpedalstellung gesteuert. Vorzugsweise bleibt das zweite
Klappenteil unterhalb eines vorgegebenen Saugrohrdruckverhältnis ses
verschlossen. Als Grenzwert zur Öffnung
des zweiten Klappenteils bietet sich ein kritisches Saugrohrdruckdruckverhältnis von
ca. 0,51 an.
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Unter
dem Saugrohrdruckverhältnis
wird im vorliegenden Zusammenhang das Verhältnis aus Saugrohrdruck zum
gemessenen Druck vor der Drosselklappe verstanden. Unterhalb dieses
sogenannten kritischen Saugrohrdruckverhältnisses von ca. 0,51 strömt die angesaugte
Luft mit weniger als Schallgeschwindigkeit, so dass die angesaugte
Luftmenge vom Drosselklappenwinkel abhängt. Ab dem kritischen Saugrohrdruckverhältnis von
ca. 0,51 strömt
die Luft mit Schallgeschwindigkeit, die gleichzeitig einer maximal
erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit
entspricht. Die angesaugte Luftmenge wird bei diesem Druckverhältnis ausschließlich vom Saugrohrquerschnitt
bestimmt. Im Interesse einer für eine
gute Zylinderfüllung
ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit
ist unterhalb eines bestimmten Saugrohrdrucks zweckmäßigerweise
nur ein geringerer Querschnitt des Einlasskanals freizugeben, so dass
eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit nicht
unterschritten wird. Eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass der Öffnungsgrad
des ersten Klappenteils in Abhängigkeit
eines von wenigstens zwei Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine
vorgegebenen Kennfeldes gesteuert wird. Vorzugsweise gehen jedoch
mehr als zwei Kenngrößen in dieses
Kennfeld ein, bspw. Temperaturen der Ansaugluft und der Brennkraftmaschine,
ein Saugrohrdruck, ein Umgebungsdruck, eine Fahrpedalstellung, etc.
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Vorzugsweise
wird der Öffnungsgrad
des zweiten Klappenteils in Abhängigkeit
eines vom Saugrohrdruck sowie der Fahrpedalstellung vorgegebenen
Kennfeldes gesteuert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich
eine Vorrichtung zur Zumessung einer Ansaugluftmenge (Drosselklappe)
auf sichere und zuverlässige
Weise mittels zweier unabhängiger
Steuergeräte
anzusteuern. Dies wird dadurch erreicht, dass die Drosselklappen
zweiteilig ausgeführt
ist, wobei beide Teile unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Der Öffnungsgrad des ersten Klappenteils wird
vorzugsweise in Abhängigkeit
wenigstens eines von einer Fahrpedalstellung sowie weiterer Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine vorgegebenen Betriebsparameters angesteuert.
Der Öffnungsgrad des
zweiten Klappenteils wird vorzugsweise in Anhängigkeit des Saugrohrdrucks
sowie der Fahrpedalstellung angesteuert. Der zweite Klappenteil öffnet erst
ab einem gewissen Grenzdruck, der vorzugsweise dem kritischen Druckverhältnis von
ca. 0,51 entspricht.
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Die
beiden Klappenteile können
gemäß einer
Ausführungsform
in einer gemeinsamen Querebene des Einlasskanals angeordnet sein.
Die beiden Klappenteile können
unterschiedliche oder gleiche Querschnitte aufweisen. Vorzugsweise
sind die beiden Klappenteile Bestandteile einer zweiteiligen Drosselklappe
im Registeranordnung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer Brennkraftmaschine, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
betreibbar ist,
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2 ein
Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb der Brennkraftmaschine und
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3 einen
Zusammenhang zwischen Drosselklappenwinkel und Saugrohrdruck anhand
eines Diagramms.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 2, die zur Versorgung jedes Brennraums 4 mit
brennbarem Luft-Kraftstoffgemisch jeweils einen Einlasskanal 6 mit
einem darin angeordneten Einspritzventil 8 aufweist. Die
Einspritzventile 8 werden von einer gemeinsamen Speicherleitung 10 mit
Kraftstoff 12 gespeist. Eine Zuführleitung 14 zur Zufuhr
von Verbrennungsluft 32 mündet in einen gemeinsamen Luftverteiler 16 zur
Versorgung der Einlasskanäle 6 mit
Verbrennungsluft. Die Zuführleitung,
im Folgenden auch als Saugrohr 14 bezeichnet, ist zweiteilig
ausgebildet und weist einen ersten Kanal 24 sowie einen
zweiten Kanal 26 auf. Eine Vorrichtung zur Zumessung von Ansaugluft 18 (Drosselklappe)
befindet sich jeweils in beiden Kanälen 24, 26 und
ist zweitgeteilt in ein erstes Klappenteil 20 im ersten
Kanal 24 und ein zweites Klappenteil 22 im zweiten
Kanal 26. Das erste Klappenteil 20 wird von einem
ersten Steuergerät 28 gesteuert.
Das zweite Klappenteil 22 wird von einem zweiten Steuergerät 30 gesteuert.
Beide Steuergeräte
arbeiten vorzugsweise in einem sogenannten Master-Slave-Modus zusammen
und sind redundant ausgeführt,
so dass beim Ausfall eines der beiden Steuergeräte ein störungsfreier Betrieb der Brennkraftmaschine
weiterhin möglich
bleibt.
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2 zeigt
in einem Ablaufdiagramm aufeinander folgende Verfahrensschritte
zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß 1, die eine
zweiteilige Drosselklappe aufweist. Ab einem Startsignal wird mittels
eines Drucksensors (nicht dargestellt) der Druck im Saugrohr bzw.
der Zuführleitung 14 gemessen
und in Abhängigkeit
von dem gemessenen Saugrohrdruck das erste Klappenteil 20 gesteuert.
Ist der Saugrohrdruck gleich Null, bleibt das erste Klappenteil 20 verschlossen
und ein Steuersignal ist gleich Null (S20 =
0). Solange das Steuergerät
in Betrieb ist, erfolgt die gleiche Abfrage in zyklischer Abfolge.
Anstatt den Saugrohrdruck mittels eines Sensors zu messen, kann
der Saugrohrdruck auch modelliert und in einem Kennfeld abgelegt
werden. Hierbei wird der Saugrohrdruck typischerweise aus anderen
verfügbaren
Messwerten hergeleitet.
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Ist
der Saugrohrdruck größer Null
(p > 0), so wird das
erste Klappenteil 20 geöffnet
(S20 > 0),
wobei der Öffnungsgrad
von weiteren Betriebsparametern abhängt, die zur Bildung eines
Steuersignals S20 im ersten Steuergerät 28 herangezogen
werden. Solche Betriebsparameter sind bspw. die Motordrehzahl, die Fahrpedalstellung,
Temperaturen der Luft sowie der Brennkraftmaschine, etc. Das Steuersignal
S20 wird vorzugsweise aus einem im Steuergerät 28 abgespeicherten
Kennfeld generiert, das die erwähnten weiteren
Betriebsparameter berücksichtigt.
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Anschließend erfolgt
eine Abfrage, ob das Saugrohrdruckverhältnis das vorgegebene kritische Druckverhältnis pkrit von ca. 0,51 erreicht hat (p >= pkrit ?).
Ist dies der Fall, so wird auch das zweite Klappenteil geöffnet, was
durch ein positives Steuersignal S22 (S22 > 0)
im Ablaufdiagramm verdeutlicht wird. Ist die Abfrage negativ (p < pkrit),
so bleibt das zweite Klappenteil 22 geschlossen (S22 = 0). Das Steuersignal zur Bestimmung
des Öffnungsgrades
des zweiten Klappenteils 22 wird vorzugsweise im zweiten
Steuergerät 30 unter
Heranziehung der beiden Parameter Saugrohrdruck und Fahrpedalstellung
vorgegeben. Auch für
diese beiden Kenngrößen ist
vorzugsweise im Steuergerät 30 ein
Kennfeld abgespeichert, das ein entsprechendes Steuersignal S22 liefert.
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Das
erwähnte
kritische Saugrohrdruckverhältnis
von ca. 0,51 stellt einen Grenzwert da, ab dem die Luft mit Schallgeschwindigkeit
strömt.
Eine noch höhere
Strömungsgeschwindigkeit
ist nicht mehr realisierbar, so dass hierbei die maximale Luftmenge vom
Saugrohrdurchmesser bestimmt wird. Um andererseits eine günstige Zylinderfüllung zu
erreichen, ist eine gewisse minimale Strömungsgeschwindigkeit notwendig.
Zu diesem Zweck befinden sich im Saugrohr der Brennkraftmaschine
zwei getrennt voneinander steuerbare Klappenteile, die von zwei
getrennten Steuergeräten
angesteuert werden.
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3 zeigt
einen Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck bzw. Saugrohrdruckverhältnis und
einem Drosselklappenwinkel der beiden Drosselklappenteile 20 und 22.
Auf einer horizontalen Achse ist der Drosselklappenwinkel qualitativ
aufgetragen. Der tatsächliche
Winkel kann je nach Motorbauform und Ausführung stark differieren. Auf
der vertikalen Achse des Diagramms ist der absolute Saugrohrdruck
von 0 bis 1 bar aufgetragen. Es ist erkennbar, dass bis zu einem
Saugrohrdruck von ca. 0,5 bar ausschließlich das erste Klappenteil 20 geöffnet wird.
Ab dem Saugrohrdruck von 0,5 bar und bis zu 1 bar wird sowohl das
erste Klappenteil 20 wie auch das zweite Klappenteil 22 geöffnet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht eine Regelung des Öffnungswinkels
des ersten Klappenteils 20 bis zum kritischen Saugrohrdruckverhältnis vor.
Ab diesem kritischen Druckverhältnis
wird das zweite Klappenteil 22 in Abhängigkeit vom Saugrohrdruckverhältnis gesteuert.
Als Steuerkenngrößen werden
typischerweise das Druckverhältnis
sowie die Stellung des Fahrpedals ausgewertet. Ab dem kritischen
Druckverhältnis
wird auch der Öffnungswinkel
des ersten Klappenteils 20 nicht mehr geregelt, sondern
in Abhängigkeit
der gleichen Kenngrößen wie
das zweite Klappenteil 22 gesteuert.
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Der
Schnittpunkt der Öffnungskurven
des ersten Klappenteils 20 mit dem zweiten Klappenteil 22 charakterisiert
einen Volllastpunkt 34 beider Drosselklappenteile. Ein
Bereich 36 des Diagramms unterhalb des kritischen Druckverhältnisses
charakterisiert den Betriebsbereich, bei dem im Ansaugtrakt Schallgeschwindigkeit
herrscht. Hierbei ist der Luftdurchsatz dem Öffnungswinkel des ersten Klappenteils 20 annähernd proportional.
Das Drehmoment der Brennkraftmaschine entspricht hierbei annähernd dem Öffnungswinkel
des ersten Klappenteils. Ein Bereich 38 oberhalb des kritischen
Druckverhältnisses
charakterisiert den Betriebsbereich, bei dem die Luft im Ansaugtrakt
mit weniger als Schallgeschwindigkeit strömt. Das Drehmoment der Brennkraftmaschine
ist hierbei nicht mehr proportional zu den Öffnungswinkeln des ersten und/oder
des zweiten Klappenteils 20, 22.