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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennkraftmaschinen und im Spezielleren Steuersysteme für Motoren mit Fremdzündung.
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HINTERGRUND
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Brennkraftmaschinen verbrennen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in Zylindern, um Kolben anzutreiben und ein Drehmoment zu erzeugen. Die in einen Motor mit Funkenzündung einströmende Luft wird durch eine bedienersteuerbare Drosselklappe reguliert und der Kraftstoffzufluss wird so gesteuert, dass ein Luft/Kraftstoffverhältnis erzielt wird, welches einer Leistungsanforderung eines Bedieners gerecht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine Brennkraftmaschine beschrieben und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine umfasst, dass unter Verwendung eines Gaspedal-Stellungssensors eine Leistungsanforderung eines Bedieners bestimmt wird; und basierend auf der Leistungsanforderung des Bedieners ein Motorbetriebspunkt bestimmt wird. Basierend auf dem Motorbetriebspunkt wird eine Zylinder-Verdichtungsendtemperatur bestimmt und basierend auf der Zylinder-Verdichtungsendtemperatur und dem Motorbetriebspunkt wird ein Phasensteuerungspunkt für klopfbeschränkte Verbrennung bestimmt. Es werden Motorbetriebsparameter in Verbindung mit dem Erreichen des Phasensteuerungspunkts für klopfbeschränkte Verbrennung ausgewählt. Der Betrieb umfasst, dass durch einen Controller Motorsteuerungszustände in Reaktion auf Motorbetriebsparameter, die mit dem Erreichen des Phasensteuerungspunkts für klopfbeschränkte Verbrennung und mit der Leistungsanforderung des Bedieners in Verbindung stehen, gesteuert werden.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren erschließen sich mit größerer Deutlichkeit aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung einiger der besten Umsetzungsarten der vorliegenden Lehren und anderer Ausführungsformen derselben gemäß deren Definition in den beigefügten Patentansprüchen und in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es folgt nun beispielshalber eine Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 schematisch eine als Schnittbild dargestellte Seitenansichtszeichnung einer Brennkraftmaschine und eines zugehörigen Controllers gemäß der Offenbarung veranschaulicht;
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2 grafisch Daten in Verbindung mit dem Betreiben einer Ausführungsform des in Bezug auf 1 beschriebenen Motors zeigt, welche offenbarungsgemäß einen spezifischen Kraftstoffverbrauch bezogen auf die Verbrennungsphasensteuerung bei einem bestimmen Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt unter mehreren Motorsteuerungszuständen einschließt;
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3 zeigt schematisch eine Verbrennungsphasensteuerungsroutine, welche einschließt, dass der Motorbetrieb offenbarungsgemäß auf Basis eines Phasensteuerungspunkts für klopfbeschränkte Verbrennung gesteuert wird;
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4 zeigt offenbarungsgemäß grafisch Daten in Verbindung mit dem Motorbetrieb über einen Abschnitt eines einzelnen Verbrennungszyklus hinweg, einschließlich der zylinderinternen Temperaturen über einen Abschnitt eines Verdichtungstakts, gefolgt von einem Abschnitt eines Arbeitstakts hinweg; und
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5 zeigt grafisch Daten in Verbindung mit dem Motorbetrieb bei Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkten für eine Mehrzahl von Motorsteuerungszuständen, die einen Verbrennungsphasensteuerpunkt zeigen, der durch einen klopfbeschränkten 50%-Massenumsatzpunkt angegeben ist, welcher offenbarungsgemäß mit einem Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt korreliert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und es sollen dadurch die Offenbarung bzw. deren Anwendung oder deren Nutzungsbereiche nicht eingeschränkt werden. Gleiche Bezugszahlen geben über die verschiedenen Zeichnungen hinweg gleiche oder entsprechende Elemente an. An Begriffen und Akronymen, die hier verwendet werden, sind unter anderem zu nennen: die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute ('revolutions per minute', RPM), die Motor-Kolbenstellung und die Kurbelwellen-Drehstellung in Umdrehungsgraden ('rotational degrees', deg) im oberen Totpunkt ('top-dead-center', TDC), vor dem oberen Totpunkt ('before-TDC', deg bTDC), nach dem oberen Totpunkt ('after-TDC', deg aTDC) und im unteren Totpunkt ('bottom-dead-center', BDC). Der Begriff 'Motorbetriebsparameter' bezieht sich auf jeden beliebigen quantifizierbaren Wert in Bezug auf den Motorbetrieb, welcher direkt gemessen, abgeleitet, geschätzt oder sonst wie durch einen Controller bestimmt werden kann. Der Begriff 'Motorsteuerungszustand' bezieht sich auf jeden beliebigen ansteuerbaren Zustand für ein Aktorbauteil oder -system, welcher durch einen Controller gesteuert werden kann.
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In den Zeichnungen, auf welche nun Bezug genommen wird und in denen die Abbildungen lediglich zu Illustrationszwecken bestimmter beispielhafter Ausführungsformen dienen, die dadurch keineswegs eingeschränkt werden sollen, veranschaulicht 1 schematisch eine als Schnittbild dargestellte Seitenansichtszeichnung einer Brennkraftmaschine (oder eines Motors) 10 und eines zugehörigen Controllers 5, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sind. Zu Veranschaulichungszwecken ist hier stellvertretend nur ein Zylinder 15 gezeigt. Der Motor 10 kann mehrere Zylinder einschließen. Der Motor 10 kann rein beispielshalber 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 bzw. 12 Zylinder einschließen. Der hier gezeigte Motor 10 ist als Brennkraftmaschine mit Fremdzündung ausgelegt und kann gemäß einer Ausführungsform primär für einen Betrieb bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis ausgelegt sein. Die Offenbarung kann auf verschiedene Brennkraftmaschinensysteme und Verbrennungszyklen angewandt werden.
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Der beispielhafte Motor 10 kann eine Mehrzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Hubkolben 14 einschließen, die in Zylindern 15 gleitbeweglich sind, welche Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen definieren. Jeder Kolben 14 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch welche eine lineare Hubbewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Ein Lufteinlasssystem stellt Einlassluft an einen Ansaugkrümmer 29 bereit, welcher die Luft in die Ansaugrohre der Verbrennungskammern 16 leitet und verteilt. Das Lufteinlasssystem weist eine Luftführungsanlage und Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern der Luftströmung auf. Die Lufteinlassvorrichtungen schließen bevorzugt einen Massenluftstromsensor 32 zum Überwachen der Massenluftströmung ('mass airflow', MAF) 33 und der Einlasslufttemperatur ('intake air temperature', IAT) 35 ein. Ein Drosselventil 34 schließt bevorzugt eine elektronisch gesteuerte Vorrichtung ein, die dazu verwendet wird, die Luftströmung zu dem Motor 10 in Ansprechen auf einen von dem Controller 5 kommenden Luftströmungs-Steuerungszustand ('electronic throttle control', ETC) 120 zu steuern. Ein Drucksensor 36 in dem Ansaugkrümmer 29 ist dafür ausgelegt, den Krümmerabsolutdruck ('manifold absolute pressure', MAP) 37 und den barometrischen Druck zu überwachen. Der Motor 10 kann einen externen Strömungsdurchgang einschließen, welcher Abgase von dem Motorauspuff zu dem Ansaugkrümmer 29 umwälzt und der ein Strömungssteuerventil aufweist, das in einer Ausführungsform als Abgasrückführventil ('exhaust gas recirculation', EGR) oder EGR-Ventil 38 bezeichnet wird. Alternativ dazu wird auf ein Abgasrückführventil (EGR-Ventil) 38 und auf externe Strömungsdurchgänge verzichtet. Der Controller 5 steuert die Massenströmung des Abgases zu dem Ansaugkrümmer 29 durch Ansteuerung des EGR-Ventils 38 über einen EGR-Steuerungszustand 139. Ein Ansaugluftverdichtersystem 50 ist dafür ausgelegt, die Ansaugluftströmung zu dem Motor 10 in Ansprechen auf einen Verdichterverstärkungs-Steuerungszustand 51 zu steuern, und kann ein Turboladersystem mit variabler Geometrie ('variable-geometry turbocharger' VGT) oder VGT-System einschließen, das eine Turbineneinrichtung 52 einschließt, die sich in dem Abgasstrom befindet und drehbar mit einer Ansaugluftverdichtereinrichtung 54 gekoppelt ist, welche dafür ausgelegt ist, die Motoransaugluftströmung zu erhöhen. Eine Luftzwischenkühlereinrichtung kann sich gemäß einer Ausführungsform zwischen der Ansaugluftverdichtereinrichtung 54 und dem Motoransaugkrümmer 29 befinden. Alternativ dazu kann das Ansaugluftverdichtersystem 50 eine wellengetriebene oder elektrisch angetriebene Aufladegebläseeinrichtung oder ein anderes, geeignetes Luftverdichtersystem einschließen.
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Die Luftströmung von dem Ansaugkrümmer 29 in die Verbrennungskammer 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 je Zylinder gesteuert. Die Abgasströmung von der Verbrennungskammer 16 zu einem Auspuffkrümmer 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 je Zylinder gesteuert. Der Motor 10 ist mit Systemen zum Steuern und Anpassen der Öffnungs- und Schließvorgänge von einem oder von beiden der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 ausgestattet, welche einschließen: das Anpassen der Nockenphasen nur der Einlassventile 20, das Anpassen der Nockenphasen nur der Auslassventile 18, das Anpassen der Nockenphasen der Einlassventile 20 und der Auslassventile 18, das Anpassen der Größe des Ventilhubs der Einlassventile 20, das Anpassen der Größe des Ventilhubs der Auslassventile 18, das Anpassen der Größe des Ventilhubs der Einlassventile 20 und der Auslassventile 18, sowie Kombinationen daraus. Gemäß einer Ausführungsform können die Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlassventile 20 und der Auslassventile 18 gesteuert und angepasst werden, indem jeweils einlass- und auslassseitige, variable Nockenphasen- und Hubsteuerungseinrichtungen ('variable cam phasing/variable lift control', VCP/VLC) oder VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 angesteuert werden. Die einlass- und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 steuern Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlassventile 20 und der Auslassventile 18, was jeweils auch das Steuern der Drehungen einer einlassseitigen Kurbelwelle 21 und einer auslassseitige Kurbelwelle 23 einschließt. Die Drehungen der einlass- und auslassseitigen Kurbelwellen 21 und 23 sind verbunden und verrastet mit der Drehung der Kurbelwelle 12, wodurch Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlassventile 20 und der Auslassventile 18 mit Stellungen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 verbunden werden. Einrichtungen und Steuerungsroutinen in Verbindung mit einlass- und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 können beliebige, geeignete Einrichtungen oder Einrichtungskombinationen darstellen und können beispielsweise unter anderem Nockenphasensteller, zweistufige Heber und magnetgesteuerte Ventilantriebe einschließen.
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Die einlassseitige VCP/VLC-Einrichtung 22 schließt bevorzugt einen Mechanismus ein, der dazu dient, den Ventilhub des Einlassventils oder der Einlassventile 20 in Reaktion auf einen Steuerungszustand (iVLC) 125 zu schalten und zu steuern und die Phasenlagen der einlassseitigen Kurbelwelle 21 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf einen Steuerungszustand (iVCP) 126 variabel anzupassen und zu steuern. Die auslassseitige VCP/VLC-Einrichtung 24 schließt bevorzugt einen steuerbaren Mechanismus ein, der dazu dient, den Ventilhub des Auslassventils oder der Auslassventile 18 in Reaktion auf einen Steuerungszustand (eVLC) 123 variabel zu schalten und zu steuern und die Phasenlagen der auslassseitigen Kurbelwelle 23 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf einen Steuerungszustand (eVCP) 124 variabel anzupassen und zu steuern. Die einlassseitigen und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 schließen jeweils bevorzugt einen steuerbaren, zweistufigen Ventilhubsteuerungsmechanismus oder VLC-Mechanismus ein, der dazu dient, die Größe des Ventilhubs bzw. der Öffnung der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 jeweils in einer von zwei diskreten Stufen zu steuern. Die beiden diskreten Stufen schließen bevorzugt eine Ventilöffnungsstellung mit niedrigem Hub (ungefähr 4–6 mm gemäß einer Ausführungsform), vorzugsweise für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und niedriger Motorlast, und eine Ventilöffnungsstellung mit hohem Hub (ungefähr 8–13 mm gemäß einer Ausführungsform), vorzugsweise für einen Betrieb bei hoher Drehzahl und hoher Motorlast ein. Die einlassseitigen und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 schließen jeweils bevorzugt einen variablen Nockenphasensteuerungsmechanismus ein, um jeweils die Phasensteuerung (d. h. die relativen Zeitwerte) für das Öffnen und das Schließen des oder der Einlassventile 20 und des oder der Auslassventile 18 zu steuern und anzupassen. Das Anpassen der Phasensteuerung bezieht sich auf das Verschieben der Öffnungszeiten der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 relativ zu den Stellungen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 in dem jeweiligen Zylinder 15. Die variablen Nockenphasensteuerungsmechanismen oder VCP-Mechanismen der einlassseitigen und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 haben jeweils einen Befugnisbereich zur Phasensteuerung von ungefähr 60°–90° einer Kurbeldrehung, wodurch es ermöglicht wird, dass der Controller 5 den Öffnungs- und Schließvorgang von einem von den Einlass- und Auslassventilen 20 und 18 relativ zu der Stellung des Kolbens 14 für jeden einzelnen Zylinder 15 nach früh oder nach spät verstellt. Der Befugnisbereich zur Phasensteuerung wird durch die einlassseitigen und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 definiert und begrenzt. Die einlassseitigen und die auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 schließen Kurbelwellenstellungssensoren ein, um die Drehstellungen der einlassseitigen und der auslassseitigen Kurbelwellen 21 und 23 zu bestimmen. Die einlass- und auslassseitigen VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 werden unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerungskraft in Reaktion auf die jeweiligen Steuerungszustände eVLC 123, eVCP 124, iVLC 125 und iVCP 126 betätigt.
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Der Motor 10 kann ein Direkteinspritzungs-Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Mehrzahl von Hochdruck-Kraftstoffinjektoren 28 verwenden, die jeweils dafür eingerichtet sind, in Reaktion auf einen von dem Controller 5 kommenden Injektorpulsweiten-Steuerungszustand ('INJ_PW') 112 eine Kraftstoffmenge direkt in eine der Verbrennungskammern 16 einzuspritzen. Alternativ dazu kann der Motor 10 ein Saugrohreinspritzungs-Kraftstoffeinspritzsystem (PF1) mit einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren verwenden, die eine Kraftstoffmenge stromaufwärts von den Verbrennungskammern 16 in Ansaugrohre eines Ansaugkrümmers 29 einspritzen.
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Die Kraftstoffinjektoren 28 werden mit unter Druck gesetztem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem versorgt. Der Motor 10 verwendet ein Fremdzündungssystem, durch das als Reaktion auf einen von dem Controller 5 kommenden Steuerungszustand (IGN) 118 Zündfunkenenergie an eine Zündkerze 26 zum Zünden oder Unterstützen beim Zünden von Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern 16 geliefert wird.
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Der Motor 10 kann mit verschiedenen Abfühleinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs, einschließlich eines Kurbelsensors 42 mit einem Ausgabewert, der die Drehstellung der Kurbelwelle, d. h. den Kurbelwinkel und die Motordrehzahl (RPM) 43 anzeigt, ausgestattet sein. Ein Temperatursensor 44 ist dafür ausgelegt, die Kühlmitteltemperatur 45 zu überwachen. Gemäß einer Ausführungsform kann ein zylinderinterner Verbrennungssensor 30 dazu verwendet werden, den Verbrennungsvorgang 31 während eines jeden Verbrennungszyklus dynamisch zu überwachen, und kann es sich dabei um einen Zylinderdrucksensor handeln, der dazu dient, gemäß einer Ausführungsform einen zylinderinternen Verbrennungsdruck zu überwachen. Ein Abgassensor 40 kann dafür ausgelegt sein, einen Abgasparameter 41, z. B. ein Luft/Kraftstoffverhältnis (AFR), zu überwachen. Die Verbrennung und die Motordrehzahl 43 werden durch den Controller 5 überwacht, um die Zeitwerte für die Verbrennung, d. h. die Verbrennungsdruck-Zeitwerte relativ zu dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden einzelnen Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus dynamisch zu bestimmen. Es ist festzustellen, dass die Zeitwerte für die Verbrennung auch durch andere Verfahren bestimmt werden können. Der Controller 5 kann mit verschiedenen Abfühleinrichtungen zum Überwachen von Bedieneranforderungen, wie beispielsweise einem Gaspedalsensor 8 kommunizieren, der eine Bediener-Drehmomentanforderung 9 erzeugt. Andere verwandte Bedieneranforderungen, z. B. eine Fahrzeugbremsung und eine Fahrtregelung, können in der Bediener-Drehmomentanforderung 9 inbegriffen und darin enthalten sein.
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Der Begriff Controller und die verwandten Begriffe Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischem/n Schaltkreis(en) (ASIC), elektronischer/n Schaltung(en), zentraler/n Recheneinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) samt zugehörigem nicht flüchtigem Speicherbauteil in Form von Speichermedien oder Speichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Das nicht flüchtige Speicherbauteil ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen abzuspeichern, und zwar in Form von einer oder mehreren Software- oder Firmwareprogrammen oder -routinen, kombinatorischen logischen Schaltungen, Eingangs/Ausgangsschaltungen und -einrichtungen, Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen, sowie anderen Bauteilen, auf welche durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Die Eingabe-/Ausgabeschaltungen und -einrichtungen schließen Analog/Digital(A/D)-Wandlerschaltungen und zugehörige Geräte ein, die von Sensoren kommende Eingangsdaten überwachen, wobei solche Eingangsdaten mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz oder in Reaktion auf einen auslösenden Vorgang überwacht werden. Unter Software, Firmware, Programmen, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Codes, Algorithmen und ähnlichen Begriffen sind beliebige durch einen Controller ausführbare Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen zu verstehen. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, einschließlich des Überwachens von Eingangsdaten von Abfühleinrichtungen und anderen, vernetzten Controllern und des Ausführens von Steuerungs- und Diagnoseroutinen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 100 Mikrosekunden oder alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während des laufenden Betriebs ausgeführt werden. Alternativ dazu können Algorithmen in Reaktion auf das Eintreten eines auslösenden Vorgangs ausgeführt werden. Datenübertragungen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Verbindung, einer Netzwerkkommunikations-Busverbindung, einer Funkverbindung oder einer beliebigen anderen, geeigneten Kommunikationsverbindung erfolgen. Datenübertragungen schließen das Austauschen von Datensignalen in beliebiger, geeigneter Form, einschließlich beispielsweise elektrischer Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetischer Signale über die Luft, optischer Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen mit ein. Der Begriff "Modell" bezieht sich auf einen prozessorbasierten oder einen prozessorlesbaren Code samt zugehöriger Kalibrierung, der das physische Vorhandensein einer Einrichtung oder einen physischen Prozess simuliert. Im Spezifischen kann ein jedes der Module als ein Knoten betrieben werden, welcher in der Lage ist, Daten zu senden und/oder zu empfangen. Der hier verwendete Begriff "kommunikationsgekoppelt" bedeutet, dass gekoppelte Bauteile in der Lage sind, Datensignale, wie beispielsweise elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen untereinander auszutauschen. Die hier verwendeten Begriffe 'dynamisch' und 'auf dynamische Weise' beschreiben Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und sich dadurch auszeichnen, dass sie Zustände von Parametern überwachen oder sonst wie bestimmen und die Zustände der Parameter während der Ausführung einer Routine oder zwischen iterativen Ausführungen der Routine regelmäßig oder periodisch aktualisieren.
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Der Controller 5 stellt, wie hier gezeigt, ein als eine Einheit ausgebildetes Element dar. Es ist festzustellen, dass der Controller 5 auch eine Mehrzahl von Controllern einschließen kann, die über einen Bus, eine Direktverdrahtung oder durch einen anderen Mechanismus untereinander kommunikationsgekoppelt sind. Solche Controller können einschließen: einen Kraftstoff-Controller, der den Betrieb des Kraftstoffinjektors 28 steuert, um Kraftstoff in die Verbrennungskammer 16 einzuleiten, einen Zündfunkengeber-Controller, der die Bestromung der Zündkerze 26 steuert, um das Luft/Kraftstoffgemisch zu zünden, einen Ventilbetätigungs-Controller, der die Öffnungs- und/oder Schließvorgänge der Einlassventile und/oder der Auslassventile 20, 18 steuert, einen Aufladecontroller 58 für den Turbolader zum Steuern der Ladedruckregelklappenstellung und der Turbinengeometrie, einen Abgasrückführungs-Controller (EGR-Controller) und einen Drosselklappen-Controller (ETC-Controller), um nur einige Beispiele zu nennen.
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2 zeigt grafisch Daten in Verbindung mit dem Betreiben einer Ausführungsform des in Bezug auf 1 beschriebenen Motors 10, welche einen spezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC) bezogen auf die Verbrennungsphasensteuerung bei einem bestimmten Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt unter mehreren Motorsteuerungszuständen einschließt. Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist ein bremsspezifischer Kraftstoffverbrauch (BSFC, g/kW – h) auf der vertikalen Achse 210, welcher bezogen auf die Verbrennungsphasensteuerung (CA50, deg aTDC) auf der horizontalen Achse 220 aufgetragen ist. Der Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt beträgt 2000 RPM bei 16 bar. Die aufgetragenen Daten schließen mehrere Motorsteuerungszustände ein, welche den Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt von 2000 RPM bei 16 bar über eine Reihe von Verbrennungsphasensteuerpunkten hinweg erreichen. Die Motorsteuerungszustände schließen einen Basisbetrieb 212 mit einer Verdichtungsrate von 9,3:1 ein. Die Verbrennungsphasensteuerung wird gemäß dem Konzept des Massenumsatzpunktes (mass-burn-fraction, MBF) oder MBF-Punktes beschrieben, womit ein Kurbelwinkel und eine damit verbundene Kolbenstellung angegeben werden, bei denen ein Abschnitt des Massenanteils einer Zylinderladung verbrannt ist. Die Verbrennungsphasensteuerung wird als Massenumsatzpunkt CA50 (deg aTDC) beschrieben, wodurch ein Kurbelwinkel und eine damit verbundene Kolbenstellung angegeben sind, bei denen die kumulierte Wärmefreisetzung einer Zylinderladung 50 % einer Gesamtwärmefreisetzung für die betreffende Zylinderladung beträgt. Gemäß einer Ausführungsform kann der CA50-Punkt für eine Zylinderladung durch Überwachen des zylinderinternen Verbrennungsdrucks bestimmt werden. Es ist festzustellen, dass auch andere Verbrennungszeitsteuerungsparameter überwacht werden können, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Die aufgetragenen Daten geben außerdem einen optimalen CA50-Punkt an, bei dem es sich um einen CA50 handeln kann, welcher für jeden Motorbetriebszustand, der mit dem Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt von 2000 RPM bei 16 bar verbunden ist, unmittelbar vor dem Einsetzen des zu vermeidenden Klopfens auftritt. Unter Klopfen versteht man ein Phänomen beim Betreiben eines Motors, das unter spezifischen Motorbetriebsbedingungen infolge einer situationsspezifisch unkorrekten Funkenzündungszeitsteuerung auftreten kann, und das zu einem hörbaren Geräusch und einem erhöhten Zylinderinnendruck führen kann und unerwünschte Auswirkungen auf den Motorbetrieb und auf die Betriebslebensdauer haben kann.
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Die aufgetragenen Daten zeigen einen Abfall des bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs (BSFC) durch ein Frühverstellen der Verbrennungsphasensteuerung, wobei basierend auf dem Einsetzen des zu vermeidenden Klopfens ein minimal zulässiger Verbrennungsphasensteuerungspunkt bestimmt wird. Die aufgetragenen Daten schließen außerdem den optimalen CA50-Punkt für einen jeden der Motorsteuerungszustände ein. Der optimale CA50-Punkt gibt den am weitesten nach früh verstellten Verbrennungszeitsteuerungszustand an, mit welchem der klopfbeschränkte Verbrennungszeitsteuerungszustand 213 in Verbindung mit dem Basisbetrieb 212 erreicht wird. Solche Daten können für eine repräsentative Ausführungsform des hier beschriebenen Motors 10 für einen jeden aus einer Mehrzahl von Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkten und für einen jeden aus einer Mehrzahl von Motorsteuerungszuständen und Verbrennungszeitsteuerungszuständen hergeleitet werden. Die hergeleiteten Motordaten können in einer Speichereinrichtung, z. B. in einem nicht flüchtigen Speicherbauteil, auf welche von dem Motorcontroller 5 zugegriffen werden kann, abgespeichert werden.
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3 zeigt schematisch eine Verbrennungsphasensteuerungsroutine
300, welche einschließt, dass der Motorbetrieb auf Basis eines Phasensteuerungspunkts für klopfbeschränkte Verbrennung gesteuert wird. Eine Ausführungsform des weiter oben beschriebenen Motors
10 samt Steuerungssystem kann in vorteilhafter Weise durch Ausführen der Verbrennungsphasensteuerungsroutine
300 gesteuert werden. Die Verbrennungsphasensteuerungsroutine
300 kann als Einzelroutine in einem der Controller ausgeführt werden oder kann als eine Mehrzahl von Routinen ausgeführt werden, die über die verschiedenen Controller verteilt sind. Die Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch gekennzeichneten Blöcke und die diesen entsprechenden Funktionen gemäß der Verbrennungsphasensteuerungsroutine
300 wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1
| BLOCK | BLOCKINHALT |
| 310 | Überwache den Motorbetrieb, den Motorbetriebspunkt und die Leistungsanforderung durch den Bediener |
| 312 | Schätze die Zylinder-Verdichtungsendtemperatur (TC20) |
| 314 | Bestimme den Phasensteuerungspunkt für klopfbeschränkte Verbrennung (CA50-KL) unter Verwendung der Zylinder- Verdichtungsendtemperatur TC20 |
| 320 | Steuere den Motorbetrieb |
| 330 | Führe eine Feedback-Motorsteuerung aus |
| 332 | Bestimme den CA50-Sollpunkt |
| 334 | Berechne Δ (CA50-KL, CA50-Sollpunkt) |
| 336 | Führe eine Feedback-Steuerung aus |
| 340 | Führe eine Feed-Forward-Motorsteuerung aus |
| 350 | Steuere die Motorsteuerungszustände an |
| 360 | Überwache den Motorbetrieb und führe bordeigene Diagnose routinen aus |
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Die Verbrennungsphasensteuerungsroutine 300 wird periodisch ausgeführt, um Motorsteuerungszustände und Motorbetriebsparameter in Verbindung mit einem Phasensteuerungspunkt für klopfbeschränkte Verbrennung auszuwählen, mit welchem ein Motorbetrieb bei minimalem bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC) für einen gegebenen Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt erzielt wird. Die Verbrennungsphasensteuerungsroutine 300 überwacht den Motorbetrieb einschließlich verschiedener Motorbetriebsparameter und einen Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt, sowie eine Leistungsanforderung durch einen Bediener in Form einer Bediener-Drehmomentanforderung (310). Als überwachte oder sonst wie bestimmte Motorbetriebsparameter für den mit Bezugnahme auf 1 beschriebenen Motor 10 sind beispielshalber unter anderem die Bediener-Drehmomentanforderung 9, der Verbrennungsdruck 31, die Kühlmitteltemperatur 45, die Drehzahl (RPM) 43, der Krümmerabsolutdruck (MAP) 37, die Einlasslufttemperatur (IAT) 35, die Massenluftströmung (MAF) 33 und das Luft/Kraftstoffverhältnis (AFR) 41 zu nennen. Als Motorsteuerungszustände für den mit Bezugnahme auf 1 beschriebenen Motor 10 sind beispielshalber unter anderem einer oder mehrere der folgenden Zustände zu nennen: Verdichterverstärkung 51, INJ_PW 112, IGN 118, ETC 120, eVLC 123, eVCP 124, iVLC 125, iVCP 126 und EGR 139. Ein geschätzter Verbrennungsparameter kann bestimmt werden und schließt bevorzugt einen Verbrennungsphasensteuerungspunkt, z. B. CA50 (deg aTDC) oder einen anderen geeigneten Verbrennungsparameter, welcher anhand der zuvor erwähnten Motorbetriebsparameter berechnet werden kann, ein.
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Ein Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt kann für den Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt bestimmt werden (312), was das Abfragen einer ersten Kalibrierung 400 einschließen kann. Bei dem Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt handelt es sich um eine zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur unmittelbar vor der Verbrennungszündung, z. B. vor der Zündung einer Verbrennungsladung durch eine Zündkerze. Die zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur kann gemessen, geschätzt oder sonst wie bestimmt werden, und zwar für einen geschleppten Motor, womit ein Motor gemeint ist, der in einem nicht mit Kraftstoff beaufschlagten Motorbetrieb läuft. Der Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt wird bevorzugt für einen spezifischen Motor-Kurbelwinkel gewählt, welcher während eines Verbrennungszyklus unmittelbar vor dem Einsetzen der Verbrennung auftritt. Die erste Kalibrierung 400 kann dazu verwendet werden, einen Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt auf Basis eines überwachten Motorbetriebs zu schätzen oder sonst wie zu bestimmen, wobei eine Ausführungsform einer solchen Schätzung unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist.
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4 zeigt grafisch beispielhafte Daten 405 in Verbindung mit dem Motorbetrieb über einen Abschnitt eines einzelnen Verbrennungszyklus hinweg bei einem bekannten Drehzahl-/Last-Motorbetriebspunkt bei aufgewärmtem und unter konstantem Bedingungen laufendem Motor, und kann somit einen Abschnitt aus der ersten Kalibrierung 400 darstellen. Die beispielhaften Daten schließen zylinderinterne Temperaturen 420 über einen Abschnitt eines Verdichtungstakts, gefolgt von einem Abschnitt eines Arbeitstakts hinweg ein, und zwar für einen Motor-Kurbelwinkel 410 zwischen 60 deg bTDC und 90 deg aTDC. Eine erste der zylinderinternen Temperaturen ist eine zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur 430 über den Abschnitt des einzelnen Verbrennungszyklus hinweg, welcher die zylinderinterne Temperatur während des Schleppbetriebs des Motors, d. h. während sich der Motor in einem nicht mit Kraftstoff beaufschlagten Betriebszustand dreht, angibt. Eine zweite der zylinderinternen Temperaturen ist eine zylinderinterne Verbrennungstemperatur 440, welche die zylinderinterne Temperatur über den Abschnitt des einzelnen Verbrennungszyklus hinweg während des Motorbetriebs, d. h. während sich der Motor in einem gezündeten Betriebszustand dreht, angibt. Die zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur 430 folgt der zylinderinternen Verbrennungstemperatur 440 während der Drehung des Motors vor dem oberen Totpunkt (TDC) und vor der Zündung der Verbrennungsladung, welche der zylinderinternen Verbrennungstemperatur 440 zuzuordnen ist. Ein spezifischer Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt (TC20) 402 wird bei 20 deg bTDC 412, d. h. unmittelbar vor der Zündung der Verbrennungsladung, angegeben. Der TC20-Punkt 402 für die zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur 430 gibt einen entsprechenden Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt 422 an, bei dem es sich um eine Temperatur einer Zylinderladung, die unmittelbar vor der Verbrennungszündung für den betreffenden Motorbetriebspunkt liegt, handelt. Die mit Bezugnahme auf 4 gezeigten, beispielhaften Daten 405 stehen in Verbindung mit einem einzelnen Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt, welcher einen Abschnitt der ersten Kalibrierung 400 bildet. Die erste Kalibrierung 400 schließt bevorzugt eine zylinderinterne, verdichtungsdruckbedingte Temperatur und einen entsprechenden, spezifischen Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt (TC20) 313 für einen jeden aus einer Mehrzahl von Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkten ein, und zwar über einen Motordrehzahlbereich von Leerlauf bis hin zu dem roten Bereich und über einen Motorlastbereich von einer geschlossenen Drosselklappenstellung bis hin zu einer Vollgasstellung mit weit geöffneter Drosselklappe.
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In 3, auf welche erneut Bezug genommen wird, wird der Motorzylindertemperaturpunkt (TC20) 313 in einem klopfbeschränkten Verbrennungsphasensteuerungsmodell dazu verwendet, für den Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt (314) einen bevorzugten, klopfbeschränkten, phasengesteuerten Verbrennungspunkt (CA50-KL) 315 zu schätzen oder sonst wie vorherzusagen. Der bevorzugte Punkt CA50-KL für den Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt kann durch Abfragen einer zweiten Kalibrierung 500 bestimmt werden. Die zweite Kalibrierung 500 kann dazu verwendet werden, einen bevorzugten Punkt CA50-KL für den Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt auf Basis des Motorzylindertemperaturpunktes (TC20) zu schätzen oder sonst wie zu bestimmen, wobei Ausführungsformen einer solchen Schätzung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben sind.
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5 zeigt grafisch Daten 505 in Verbindung mit dem Motorbetrieb bei einem bestimmten Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt von 1000 RPM und 210 Nm und bei aufgewärmtem und in konstantem Zustand laufendem Motor für eine Mehrzahl von Motorsteuerungszuständen und kann somit einen Abschnitt der zweiten Kalibrierung 500 darstellen. Die Daten zeigen einen Verbrennungsphasensteuerungspunkt, der durch einen klopfbeschränkten 50%-Massenumsatzpunkt (CA50-KL, deg aTDC) auf der vertikalen Achse 520 angegeben ist und mit einem Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt (einem TC20-Punkt) auf der horizontalen Achse 510 korreliert. Die Motorsteuerungszustände und die damit verbundenen Motorbetriebsparameter schließen verschiedene Motorsteuerungsroutinen ein, die den Motor mit demselben Drehzahl-/Last-Betriebspunkt betreiben, wobei sich zeigt, dass der Verbrennungsphasensteuerungspunkt, welcher durch einen klopfbeschränkten 50%-Massenumsatzpunkt (CA50-KL), deg aTDC) angegeben ist, nur von dem Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt, welcher mit 20 deg bTDC (TC20-Punkt) angegeben ist, abhängig ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der TC20-Punkt dazu verwendet werden kann, einen bevorzugten CA50-KL-Punkt für den Motorbetriebspunkt von 1000 RPM und 210 Nm auszuwählen, wobei der bevorzugte CA50-KL-Punkt von den Motorsteuerungszuständen, die mit dem betreffenden Motorbetriebspunkt verbunden sind oder die zur Erreichung desselben ausgewählt werden, unabhängig ist. Die mit Bezugnahme auf 5 gezeigten, beispielhaften Daten 505 stehen in Verbindung mit einem einzelnen Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkt und bilden somit Abschnitte der zweiten Kalibrierung 500. Die zweite Kalibrierung 500 schließt bevorzugt einen spezifischen Zylinder-Verdichtungsendtemperaturpunkt (TC20) und einen entsprechenden, klopfbeschränkten 50%-Massenumsatzpunkt, d. h. einen CA50-KL-Punkt, für einen jeden aus einer Mehrzahl von Motordrehzahl-/Motorlast-Betriebspunkten ein, und zwar über einen Motordrehzahlbereich von Leerlauf bis hin zu dem roten Bereich und über einen Motorlastbereich von einer geschlossenen Drosselklappenstellung bis hin zu einer Vollgasstellung mit weit geöffneter Drosselklappe.
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In 3, auf welche erneut Bezug genommen wird, wird der in Schritt 314 durch Abfrage der zweiten Kalibrierung 500 identifizierte CA50-KL-Punkt dazu verwendet, den Betrieb des Motors (320) zu steuern, was eine Feedback-Steuerungsroutine (330) und eine Feed-Forward-Steuerungsroutine (340) einschließt. Die Feedback-Steuerungsroutine (330) schließt ein, dass ein Verbrennungsphasensteuerungs-Sollpunkt, z. B. ein CA50-Punkt (332) bestimmt wird und eine Differenz zwischen dem CA50-KL-Punkt und dem CA50-Sollpunkt (334) berechnet wird. Der Verbrennungsphasensteuerungs-Sollpunkt kann unter Verwendung eines repräsentativen Motors bestimmt werden, welcher unter bekannten Betriebstemperaturen und -drücken auf einem Motordynamometer betrieben wird. Die Feedback-Steuerungsroutine (330) schließt ein, dass Daten, die von bordeigenen Sensoren, einschließlich eines Klopfsensors, eines Luft/Kraftstoffsensors und anderer verbrennungsrelevanter Sensoren, als Teil der Überwachung des Motorbetriebs (310) gewonnen worden sind, verwendet werden und dass Motorsteuerungszustände, wie beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmasse, die Zündfunkenzeiten, die Einlass- und Auslassnockenphasenlagen, der Aufladevorgang für den Turbolader und andere verwandte Parameter entsprechend angepasst werden.
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Die Feed-Forward-Steuerungsroutine (340) schließt bevorzugt ein, dass verschiedene Motorsteuerungszustände, wie beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmasse, die Zündfunkenzeiten, die Einlass- und Auslassnockenphasenlagen, der Aufladevorgang des Turboladers und andere, verwandte Parameter dem CA50-KL-Punkt entsprechend angepasst werden.
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Als Motorparameter, die mit einer Zylinderladung in Verbindung stehen und durch Motorsteuerungsparameter beeinflusst werden, sind unter anderem zu nennen: die Motor-Massenluftströmung (MAP) und das aktuelle Ist-Luft/Kraftstoffverhältnis, die durch die Kraftstoffeinspritzpulsbreite gesteuert werden und wodurch die je Zylinderereignis eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst wird; der Ansaugsauerstoff, der durch das EGR-Ventil gesteuert wird und die Menge an externer Abgasrückführung (EGR) für ein Zylinderereignis beeinflusst; die Massenluftströmung (MAP), die durch den Drosselklappen-Controller (ETC) und den Turbolader (falls verwendet) gesteuert wird und die Menge der in dem Zylinder eingeschlossenen Luftmasse beeinflusst; und der Massenumsatzpunkt (CA50-Punkt), der durch die Zündfunkenzeitsteuerung gesteuert wird. Die Motorparameter MAP, aktuelles Ist-Luft/Kraftstoffverhältnis, Ansaugsauerstoff, MAP- und CA50-Punkt können mit Sensoren direkt gemessen, durch Rückschlüsse aus anderen erfassten Parametern gewonnen, geschätzt, aus algorithmischen Modellen hergeleitet oder sonst wie bestimmt werden. Die Aktoren, welche die Kraftstoffeinspritzpulsbreite, die Ventilzeiten und -phasen und den CA50-Punkt steuern, gelten als schnelle Aktoren, weil sie es erlauben, innerhalb von nur einem Motorzyklus aktorbedingte Steuerzustände zu implementieren und einen bevorzugten Betriebszustand zu erzielen, um eine Veränderung des Motorbetriebs zu bewirken. Das EGR-Ventil, die Drosselklappe (ECT) und der Turbolader gelten als langsame Aktoren, weil sie es zwar erlauben, innerhalb von nur einem Motorzyklus aktorbedingte Steuerzustände zu implementieren, die Erzielung eines bevorzugten Betriebszustands und/oder die vollständige Bewirkung einer Veränderung des Motorbetriebs jedoch erst nach Ausführung mehrerer Motorzyklen eintritt. Die Auswirkung eines langsamen Aktors auf den Motorbetrieb verzögert sich durch Systemlatenzen wie etwa Datenübertragungsverzögerungen, Luft-, Kraftstoff- und Rückführabgas-Transportverzögerungen, Krümmerfüllzeiten und andere Faktoren. Bei Turboladermotoren wird die von dem Ansaugkrümmer angesaugte Luft unter Druck gesetzt. Somit kann es zu einer Druckdifferenz zwischen der Luft im Ansaugkrümmer (d. h. vor der Verbrennung), und dem Abgas im Auspuffkrümmer (d. h. nach der Verbrennung) kommen. Beispielsweise kann der Druck im Ansaugkrümmer höher sein als jener im Auspuffkrümmer. Bei Motoren, welche eine variable Nockenphasensteuerung und/oder eine variable Ventilsteuerung einschließen, können die Einlassventile und die Auslassventile selektiv geöffnet werden. Um nur ein Beispiel zu nennen, können bei einem Motor die Einlassventile und die Auslassventile über Nockenphasensteller oder bestromte Magnete selektiv geöffnet werden. Durch gleichzeitiges Öffnen des Einlassventils und des Auslassventils kann es bei einem Turboladermotor ermöglicht werden, dass unter höherem Druck stehende Luft in dem Ansaugkrümmer durch den Zylinder hindurch zu dem unter niedrigerem Druck stehenden Abgas in dem Auspuffkrümmer strömt. Die Steuerung von Motorsteuerungszuständen erfolgt unter Heranziehung von Ergebnissen aus der Feed-Forward-Steuerungsroutine (340) und der Feedback-Steuerungsroutine (330) welche einschließen können, dass verschiedene Motorsteuerungszustände, wie beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmasse, die Zündfunkenzeiten, die Einlass- und Auslassnockenphasenlagen, der Aufladevorgang des Turbolader und andere, verwandte Parameter dem CA50-KL-Punkt entsprechend angepasst werden.
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Der Motorbetrieb wird zu Diagnosezwecken überwacht und dies schließt ein, dass eine Verschlechterung des Motorbetriebsverhaltens basierend auf dem Phasensteuerungspunkt für klopfbeschränkte Verbrennung, der Zylinder-Verdichtungsendtemperatur und dem Motorbetriebspunkt bewertet wird (360). Dies schließt ein, dass Sensoren überwacht werden und Diagnosemodelle ausgeführt werden, um die zylinderinterne Verbrennung zu überwachen und so verschiedene Bauteile und Systeme des Motors und der Verbrennungskammer auf deren Zustand hin zu beurteilen, was auch eine Beurteilung des Betriebsverhaltens und der Verschlechterung desselben im zeitlichen Verlauf mit einschließt. Als Beispiele für ein Motorbetriebsverhalten, das überwacht werden kann, sind die Zündkerzen und deren Verschmutzung oder der Verschleiß von deren Spitzen, die Kraftstoffinjektoren und das Auftreten von Kohlenstoffabscheidungen, sowie heiße Stellen in einer Verbrennungskammer zu nennen. Die Motorklopfgrenze wird in hohem Maß durch die Kraftstoffqualität beeinflusst und kann auch auf eine Motorstörung hindeuten. Somit können die hier beschriebenen Konzepte dazu verwendet werden, die Schätzung der Motorklopfgrenze zu verbessern, während für die Feedback-Steuerung ein Klopfsensor herangezogen wird.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren haben unterstützenden und beschreibenden Charakter für die vorliegenden Lehren, der Umfang der vorliegenden Lehren ist jedoch allein durch die Patentansprüche definiert. Es sind hier zwar einige der besten Umsetzungsarten und Ausführungsformen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben, es existieren jedoch verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Patentansprüchen definiert sind.
