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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Korrektur der Vorentflammung für einen Verbrennungsmotor mit
kontinuierlich variabler Ventileinstellung der Ansaug- und/oder
Abgasventile.
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Bekanntlich hängt bei einem endothermen Motor
die optimale Vorentflammung von der Drehzahl und der Motorlast ab
(die bei Systemen mit Verbrennung mit einem stöchiometrischen Gemischverhältnis von
der während
der Ansaugphase gesammelten Luftmasse abhängt). Eine Verbrennung, bei welcher
Anlaßkraftstoff
mit optimaler Vorentflammung eingespritzt wird, entspricht der maximalen Drehmomenterzeugung
(wobei das Auftreten von Klopfphänomenen
ausgeschlossen ist), während eine
Verbrennung, bei welcher Anlaßkraftstoff
mit irgendeiner anderen Entflammung eingespritzt wird, einer Verschlechterung
der Verbrennungsleistung entspricht.
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Außer der während der Ansaugphase gesammelten
Luftmasse spielt die Menge von verbranntem Restgas (die am Ende
der Abgasphase in dem Zylinder eingeschlossen ist und völlig inert
ist, was die Verbrennung angeht) eine entscheidende Rolle bei der
Definition der optimalen Entflammung, da sich sowohl die Menge als
auch die Qualität
des in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase vorhandenen Kraftstoffs
auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront und die Verbrennungstemperatur
auswirken. Insbesondere ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der
Flammenfront (die sich entscheidend auf die anwendbare Vorentflammung auswirkt)
für die
gleiche neue gesammelte (Luft-)Masse reduziert, wenn der Prozentsatz
von in der Verbrennungskammer anwesendem verbrannten Gas zunimmt.
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Die Anwesenheit eines kontinuierlichen
Phasenumformers am Einlaß/Auslaß modifiziert
sowohl die Menge als auch die Qualität des gesammelten Kraftstoffs
und damit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront. Bei
Motoren, die Ansaug-/Auslaßeinstelleinrichtungen
mit kontinuierlicher Umformung haben, ist es nämlich für die gleiche Motordrehzahl
möglich,
mit unterschiedlichen Ansaug-/Auslaßeinstellwerten die gleiche
Menge an in dem Zylinder gesammelter Luftmasse zu erhalten, und
die unterschiedlichen Ansaug-/Auslaßeinstellwerte entsprechen
einer unterschiedlichen Masse von Inertgas, die am Ende der Auslaßphase in
dem Zylinder eingeschlossen ist.
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Aus den oben gegebenen Informationen
ist offensichtlich, daß es
zur Bestimmung eines korrekten Werts der anzuwendenden Voreilung
erforderlich ist, auch die Masse von Inertgas zu berücksichtigen, die
in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase eingeschlossen ist. Bei
den bekannten Verbrennungsmotoren werden Mapping (oder dimensionierte
Pläne)
verwendet, die in der Konstruktionsphase bestimmt werden, in einem
Speicher einer Steuereinheit gespeichert werden und den korrekten
Wert der Voreilung nach dem Antriebspunkt (der durch die Drehzahl
und die Motorlast definiert ist) und nach den Ansaug- /Auslaßeinstellungen
(die innerhalb ihrer minimalen und maximalen Werte enthalten sind)
liefern können.
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Allerdings ist die Verwendung des
oben erwähnten
Mapping besonders kostspielig, weil dieses Mapping eine relativ
große
Speichermenge erfordert, damit es in der Steuereinheit des Motors
gespeichert werden kann. Außerdem
unterscheidet sich die für dieses
Mapping verwendete Logik völlig
von der von der Steuereinheit von Motoren mit einem externen AGR-Kreis
(d. h. mit einem externen Abgasrückführungskreis)
verwendeten Logik, und deshalb kann die Entwicklung dieses Mapping
in keiner Weise das Wissen übernehmen,
das während
des Designs der Motorsteuerlogik mit einem externen AGR-Kreis entwickelt
wurde, eine Tatsache, die klar mehr Zeit während des Design- und Einstellstadiums
erfordert.
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Die
DE
198 44 085 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors
in Abhängigkeit
von einem Abgasdruck; insbesondere hat der Verbrennungsmotor einen
Ansaugtrakt, wenigstens einen Zylinder, einen Abgastrakt sowie Einlaß- und Auslaßventile,
die dem Zylinder zugeordnet sind. Ein Abgasdruck in dem Zylinder
wird während
der Ventilüberlappung
der Einlaß- und Auslaßventile
als Funktion eines geschätzten
Werts eines Abgasdrucks bestimmt, was durch die Verbrennung eines
Luft-/Kraftstoffgemisches in dem Zylinder bewirkt wird, und einer
Variablen, die den Schwerpunkt der Ventilüberlappung der Einlaß- und Auslaßventile
kennzeichnet. Wenigstens ein Betätigungssignal
zum Steuern eines Stellglieds des Verbrennungsmotors wird von dem Abgasdruck
abgeleitet, oder der Verbrennungsmotor wird als Funktion des Abgasdrucks überwacht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
liegt darin, ein Verfahren zur Korrektur der Vorentflammung für einen
Verbrennungsmotor mit kontinuierlich variabler Ventileinstellung
der Ansaug- und/oder Abgasventile vorzusehen, das frei von den oben
beschriebenen Nachteilen ist und insbesondere einfach und ökonomisch
zu implementieren ist.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist
ein Verfahren zur Korrektur der Vorentflammung für einen Verbrennungsmotor mit
kontinuierlich variabler Ventileinstellung der Ansaug- und/oder
Abgasventile vorgesehen, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist.
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Nun wird die vorliegende Erfindung
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die eine nicht einschränkende Ausführungsform veranschaulichen,
darin zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm zur Modellierung eines Verbrennungsmotors;
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2 ein
Blockdiagramm einer Berechnungseinheit, die nach dem Verfahren arbeitet,
welches den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet;
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3 eine
detaillierte Ansicht eines Blocks der Berechnungseinheit in 2; und
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4 eine
Kurve, die zwei Größen korreliert, die
von der Berechnungseinheit in 2 verwendet werden.
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In 1 gibt
1 insgesamt einen Verbrennungsmotor mit einem kontinuierlichen Phasenumformer
eines bekannten Typs am Einlaß und/oder Auslaß an; in 1 ist der Motor 1 mittels
einer durch ein Blockdiagramm veranschaulichten Modellierung dargestellt
und nach der Literatur bekannt.
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Der Motor 1 weist vier (durch
die mit dem Begriff "Zylinder" identifizierten
Blöcke
dargestellte) Zylinder 2 auf, die mittels entsprechender
(nicht dargestellter) Ansaugventile mit einem Ansaugrohr 3 verbunden
sind (das durch den mit dem Begriff "Ansaugrohr" identifizierten Block dargestellt ist),
welches von einer entsprechenden Ventilklappe 4 geregelt
wird (die durch den mit dem Begriff "Drosselklappe" identifizierten Block dargestellt ist),
und mittels entsprechender (nicht dargestellter) Abgasventile mit
einem Auspuffkrümmer 5 verbunden
sind (der durch den mit dem Begriff "Auspuffkrümmer" identifizierten Block dargestellt ist),
welcher mit einer Auslaßeinrichtung 6 für die verbrannten
Gase verbunden ist (die durch den mit dem Begriff "Auslaß" identifizierten
Block dargestellt ist). Jeder Zylinder 2 ist mit einer
Zündkerze 7 versehen,
die von einem Steuersystem 8 gesteuert wird und auf bekannte
Weise die Zündung
der komprimierten Gase innerhalb des entsprechenden Zylinders 2 bei
Abschluß des
Kompressionsstadiums bewirken kann.
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Wie bei der Modellierung in 1 veranschaulicht, wird
ein Teil der von den Zylindern 2 abgegebenen Gase (mit
dem Begriff "Ansaugmassenstrom" identifiziert) wieder
in das Ansaugrohr 3 eingelassen, während der restliche Teil der
von den Zylindern 2 abgegebenen Gase (mit dem Begriff "Auslaßmassenstrom" identifiziert) in
den Auspuffkrümmer 5 eingelassen
wird. Zusätzlich
erhält
das Ansaugrohr eine Menge an neuer Luft (mit dem Begriff "Einlaßmassenstrom" identifiziert) über die
Ventilklappe 4.
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Das Steuersystem 8 ist mit
einer Recheneinheit 9 versehen, die bei Verwendung für jeden
Zylinder 2 jeweils einen tatsächlichen Wert AAeff der Vorentflammung
berechnen kann, so daß aus
dem Zylinder 2 selbst die maximale Leistung erhalten wird,
die der maximalen Drehmomenterzeugung entspricht (wobei das Auftreten
von Klopfphänomenen
ausgeschlossen ist).
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Wie in 2 veranschaulicht,
weist die Recheneinheit 9 einen Rechenblock 10 auf,
welcher auf bekannte Weise für
jeden Zylinder 2 jeweils einen theoretischen Wert AAth
der Vorentflammung nach dem aktuellen Antriebspunkt berechnen kann.
Die Recheneinheit 9 weist zusätzliche zwei Rechenblöcke 11 und 12 auf,
welche jeweils zwei Werte AAC1 und AAC2 zur Korrektur der Vorentflammung
berechnen können;
die Korrekturwerte AAC1 und AAC2 werden mittels zweier Addierblöcke 13 bzw. 14 algebraisch
zu dem theoretischen Wert AAth addiert, um einen tatsächlichen
Wert AAeff der Vorentflammung zu erhalten.
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Vor der Anwendung an dem Motor 1 wird
der tatsächliche
Vorentflammungswert Aaeff mittels einer Sättigungsfunktion verarbeitet,
welche in einem Sättigungsblock 15 implementiert
wird, um den tatsächlichen
Wert Aaeff selbst innerhalb eines begrenzten Intervalls zu halten,
entweder darunter (Minimalwert) oder darüber (Maximalwert).
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Der Korrekturwert AAC1 wird in dem
Rechenblock 11 nach der Drehzahl RPM des Motors 1 und
nach der Masse %EGR von verbranntem Gas berechnet, die in dem Zylinder
2 am Ende des Ansaugstadiums eingeschlossen ist; die Masse %EGR von
verbranntem Gas wird herkömmlich
als ein Prozentsatz in Beziehung zu der Gesamtgasmenge ausgedrückt, die
in dem Zylinder 2 am Ende der Ansaugphase vorhanden ist. Der Rechenblock 11 kann
jedem Paar von Werten Drehzahl/Masse %EGR von verbranntem Gas einen
entsprechenden Korrekturwert AAC1 nach den bekannten Methodenlehren
zuordnen, da sie denjenigen ganz ähnlich sind, die bei Verbrennungsmotoren
verwendet werden, die mit einem externen AGR-Kreis versehen sind,
d. h. mit einem externen Abgasrückführungskreis
(AGR = Abgasrückführung).
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Der Korrekturwert AAC2 wird in dem
Rechenblock 12 auf der Basis des Wertes des Verhältnisses
zwischen dem erzeugten Motordrehmoment CMI und dem maximalen Motordrehmoment
CMIMAX berechnet; insbesondere implementiert der Rechenblock 12 eine
Parabelkurve, die in der Literatur unter dem Namen "Einzelkurve" bekannt ist, als
Beispiel in 4 veranschaulicht
ist und nach einem eineindeutigen Verhältnis jeden erforderlichen
Wert des erzeugten Motordrehmoments CMI und das maximale Motordrehmoment
CMIMAX mit einem jeweiligen Korrekturwert AAC2 der Vorentflammung
korreliert. Es ist nämlich
wohlbekannt, daß die
angewandte Vorentflammung mit dem erzeugten Motordrehmoment CMI
mittels einer Kurve, der "Einzelkurve", unabhängig von
dem Antriebspunkt und dem Parabeltyp korreliert werden kann.
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Ähnlich
wie bei dem, was allgemein in Verbrennungsmotoren mit einem externen
AGR-Kreis stattfindet, findet eine Bestimmung im Prozentsatz %EGR
von Inertgas, das in der in einem Zylinder 2 eingeschlossenen
Gasmischung enthalten ist, der Zustandsvariablen des Gemisches statt,
was mittels des Korrekturwerts AAC1 zur Definition des tatsächlichen
Wertes Aaeff der Vorentflammung beiträgt. In der Praxis bestimmt
der Prozentsatz %EGR von Inertgas den Vorentflammungsversatz (Korrekturwert AAC1),
der auf die oben beschriebene "Einzelkurve" (Korrekturwert AAC2)
angewandt wird, um die Validität
der "Einzelkurve" zu garantieren.
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Die Masse %EGR von verbranntem Gas
wird in dem Schätzfunktionsblock 16,
nach der Drehzahl RPM des Motors 1, nach dem Einstellwert
WT am Einlaß und/oder
Auslaß des
Motors 1 (Wert VVT ausgedrückt durch die auf die Ventilphase
angewandte Winkelkorrektur) und nach der Druckdifferenz ΔP zwischen
dem Auspuffkrümmer 5 und
dem Ansaugrohr 3 geschätzt.
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Die Masse %EGR von verbranntem Gas,
die in einem Zylinder 2 am Ende der Ansaugphase eingeschlossen ist,
wird mittels einer dreidimensionalen Fläche e(RPM, ΔP, WT) im Zusammenhang mit der Drehzahl
RPM, des Einstellwerts WT am Einlaß und/oder Auslaß und der
Druckdifferenz ΔP
zwischen dem Auspuffkrümmer 5 und
dem Ansaugrohr 3 geschätzt.
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Die Implementierung der dreidimensionalen Fläche e(RPM, ΔP, WT) in
dem Schätzfunktionsblock 16 ist
beschwerlich, was die Speicherbelegung und damit die Kosten des
Schätzfunktionsblocks 16 selbst
angeht. Um das Implementierungsgewicht der dreidimensionalen Fläche e(RPM, ΔP, WT) in
dem Schätzfunktionsblock 16 zu
reduzieren, ohne daß die Einheitlichkeit
der erhaltenen Daten signifikant verloren geht, wurde entschieden,
die dreidimensionale Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) relativ zu der Drehzahl RPM des Motors 1 mittels Orthogonalprojektionen
der dreidimensionalen Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) im Zusammenhang mit der Druckdifferenz ΔP und dem Einstellwert VVT zu
parametrieren.
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Die zweidimensionalen Flächen, die
von den Orthogonalprojektionen der dreidimensionalen Fläche e(RPM, ΔP, WT) abgeleitet
werden, werden dann aus einer einzigen zweidimensionalen Fläche h(ΔP, WT) in
der Domäne
der Druckdifferenz ΔP
und des Einstellwerts WT umdefiniert; die Orientierung der zweidimensionalen
Fläche
h(ΔP, VVT)
in der dreidimensionalen Domäne
der Drehzahl RPM, des Einstellwerts WT und der Druckdifferenz ΔP hängt von der
Drehzahl RPM des Motors ab. Mit anderen Worten, die dreidimensionale
Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) ist mittels des Produkts einer zweidimensionalen Fläche h(ΔP, VVT) im
Zusammenhang mit dem Einstellwert VVT und der Druckdifferenz ΔP und einem
Vektor g(RPM) im Zusammenhang mit der Drehzahl RPM dargestellt.
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Die oben beschriebene Rekonstruktion
der dreidimensionalen Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) mittels des Produkts einer einzigen zweidimensionalen Fläche h(ΔP, WT) und
einem Vektor g(RPM) wird mittels numerischer Berechnungsverfahren
durchgeführt, welche
in aufeinanderfolgenden Approximationen konvergieren, sowie durch
Anwendung des Kriteriums des minimalen quadratischen Fehlers.
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Die obige Beschreibung ist durch
die folgenden Gleichungen zusammengefaßt: %EGR
= e(RPM, ΔP,
VVT) ≈ g(RPM)
* h(ΔP,
VVT)
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Die Aufschlüsselung der dreidimensionalen Fläche e(RPM, ΔP, WT) mittels
des Produkts der zweidimensionalen Fläche h(ΔP, WT) und dem Vektor g(RPM)
kann direkt in dem Schätzfunktionsblock 16 durchgeführt werden,
bei relativ reduzierter Speicherbelegung. Wie in 3 veranschaulicht, weist der Schätzfunktionsblock 16 zwei
Rechenblöcke 17 und 18 auf,
die die zweidimensionale Fläche h(ΔP, WT) bzw.
den Vektor g(RPM) implementieren, und einen Multiplikatorblock 19,
der die von den Blöcken 17 und 18 ausgegebenen
Werte miteinander multiplizieren kann.
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Allgemein findet die Konstruktion
der dreidimensionalen Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) in dem Entwurfsstadium der Berechnungseinheit 9 mittels
der Verwendung einer Reihe von experimentellen Tests statt, die
an dem Motor 1 durchgeführt
werden. Allerdings ist es im spezifischen Fall von Motoren, die
mit kontinuierlichen Systemen zur Umformung der Ansaug-/Auslaßphase versehen
sind, nicht möglich, eine
direkte Messung der Menge %EGR von verbranntem Gas durchzuführen, die
in einem Zylinder 2 eingeschlossen ist; deshalb muß ein Modell
des Motors 1 verwendet werden, um indirekt an verschiedenen
Punkten des Motors eine Schätzung
der Menge %EGR von verbranntem Gas zu bestimmen, die in einem Zylinder 2 eingeschlossen
ist.
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Um die dreidimensionale Fläche e(RPM, ΔP, VVT) korrekt
zu konstruieren, muß eine
Modellierung des Motors 1 verwendet werden, wodurch eine Schätzung davon
definiert werden kann, die mit den beobachteten Motorreaktionen
kompatibel ist, d. h. in Beziehung zu meßbaren Eingangsstimulierungen muß das Modell
des Motors 1 Reaktionen erzeugen, welche die gemessenen
wirklichen Reaktionen approximieren können.
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Eines der Motormodelle, das zur Konstruktion
der dreidimensionalen Fläche
e(RPM, ΔP,
WT) verwendet werden kann, ist das in 1 veranschaulichte;
es ist an sich in der Literatur bekannt und besteht aus einer Reihe
von Untermodellen, die den Ansaugkreis, die Füllung der Verbrennungskammer, den
Verbrennungsvorgang, das Leeren der Verbrennungskammer und den Abgaskreis
darstellen. Insbesondere wird die Rekonstruktion der Schätzung %EGR
der inerten Substanz, die in einem Zylinder eingeschlossen ist,
mittels eines vereinfachten Modells der Fluidmechanik-Phänomene beim
Füllen-Leeren
des Zylinders 2 und der Verbrennung durchgeführt; das
erhaltene Ergebnis kann nicht absolut die reale Menge der inerten
Substanz darstellen, die in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase eingeschlossen
ist, aber realistischer eine qualitative Angabe davon liefern, was
jedoch bereits ausreicht, damit eine ausreichend akkurate Berechnung
des tatsächlichen
Werts Aaeff der Vorentflammung möglich
ist.
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Das mathematische Modell des Motors
ist durch eine Reihe von Gleichungen definiert (die bekannt sind
und nicht im einzelnen angegeben werden), welche die charakteristischen
Größen des
Motors 1 miteinander korrelieren; jede Gleichung weist eine
Anzahl numerischer Koeffizienten auf, deren Wert mittels einer Reihe
von experimentellen Tests an dem Motor bestimmt wird. Insbesondere
mittels eines Netzes von Erfassungen an den Arbeitspunkten der Drehzahl
RPM und des erzeugten Drehmoments CMI gibt es eine Identifizierung
des Werts der Koeffizienten, so daß in Simulation Motorreaktionen erhalten
werden, die sehr nahe an den realen Motorreaktionen liegen.
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Aus dem Vorhergehenden wird deutlich,
daß es
durch die Verwendung des Indikators %EGR der Rate von inertem Gas
möglich
wird, die Korrektur AAC1 der Vorentflammung auf eine Weise anzuwenden,
die ganz ähnlich
derjenigen ist, die für
Motoren mit einem externen AGR-Kreis angewandt wird, womit es möglich wird,
die gleichen Motorsteuerungsstrategien wie diejenigen wiederzuverwenden,
die für Systeme
mit einem externen AGR-Kreis entwickelt wurden, bei offensichtlichen
Standardisierungsvorteilen der Motorsteuerungsstrategien.
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Allgemein spielt bei einem Verbrennungsmotor
außer
der während
des Ansaugstadiums gesammelten Luftmasse auch die Menge von verbranntem Restgas
(die in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase eingeschlossen ist
und ganz inert ist, was die Verbrennung angeht) eine entscheidende
Rolle bei der Definition der optimalen Vorentflammung, da sich sowohl
die Menge als auch die Qualität
des in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase anwesenden Kraftstoffs
auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront und die Verbrennungstemperatur
auswirkt. Insbesondere wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der
Flammenfront (die sich entscheidend auf die anwendbare Vorentflammung
auswirkt) für
die gleiche neue gesammelte (Luft-)Masse reduziert, wenn der Prozentsatz
von in der Verbrennungskammer anwesendem verbrannten Gas zunimmt.
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Die Anwesenheit eines kontinuierlichen
Phasenumformers am Einlaß/Auslaß modifiziert
sowohl die Menge als auch die Qualität des gesammelten Kraftstoffs
und damit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront. Bei
Motoren mit Einlaß-/Auslaßeinstelleinrichtungen,
die für
die gleiche Motordrehzahl kontinuierlich variabel sind, ist es nämlich möglich, die
gleiche Menge der in dem Zylinder gesammelten Luftmasse mit unterschiedlichen
Einlaß-/Auslaßeinstellwerten
zu erhalten, und die unterschiedlichen Einlaß-/Auslaßeinstellwerte entsprechen
einer unterschiedlichen Menge von inertem Gas, die in dem Zylinder
am Ende des Auslaßstadiums
eingeschlossen ist.
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Nach der vorhergehenden Beschreibung wird
der theoretische Wert AAth der Vorentflammung nach einer Schätzung der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront korrigiert, und die
Schätzung
der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront wird durchgeführt, indem
die Masse von verbranntem Gas, die in dem Zylinder am Ende der Ansaugphase
eingeschlossen ist, als Zustandsvariable verwendet wird.