WO2008046834A1 - Verfahren und vorrichtung zum einstellen des betriebsbereichs eines hcci verbrennungsmotors - Google Patents

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WO2008046834A1
WO2008046834A1 PCT/EP2007/061042 EP2007061042W WO2008046834A1 WO 2008046834 A1 WO2008046834 A1 WO 2008046834A1 EP 2007061042 W EP2007061042 W EP 2007061042W WO 2008046834 A1 WO2008046834 A1 WO 2008046834A1
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cai
temperature
gasoline engine
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engine
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PCT/EP2007/061042
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Erwin Bauer
Dietmar Ellmer
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
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Definitions

  • ottomotor CAI Controlled Auto Ignition
  • a lean, homogeneous air-fuel mixture is controlled for self-ignition. This is initiated by the fact that in the respective cylinder of the engine hot residual gas or exhaust gas is retained by the respective preceding combustion or power stroke and / or returned by internal and / or external exhaust gas recirculation and the pressure and temperature in the combustion chamber of the respective cylinder during its respectively next
  • SI spark ignited
  • ottomotor CAI mode combustion process go in particular in addition to the charge quality of the air / fuel amount that has been loaded or introduced into the respective cylinder, the local temperature and / or pressure conditions for the start of combustion and the further combustion, which makes the control, ie targeted control of the combustion process of the gasoline engine difficult.
  • the engine-related CAI mode base range of a given Combustion engine in practice limited under some circumstances. For example, in the respective course of combustion, too high pressure gradients damaging the internal combustion engine may preclude or make critical high engine speed ranges of the gasoline engine.
  • the necessary for the CAI engine operating high residual gas rates in the respective cylinder may possibly restrict its filling with air / fuel for the next power stroke too much and thus limit the effectable torque on the crankshaft of the gasoline engine in an undesirable manner.
  • the potential of the otherwise high-efficiency and low-emission CAI mode combustion process for some engine operating points can only be limited or even not exhausted, for example, by these exemplary factors.
  • the invention has for its object to provide a way how the operating range of the CAI mode of a gasoline engine extended in a simple manner and thus the potential of the CAI combustion process can be further exploited. This object is achieved by the following method according to the invention:
  • Method for setting the CAI operating mode range of a gasoline engine by the feed temperature of the fresh air stream, each of which is charged into the combustion chamber of the respective cylinder of the gasoline engine is varied before being admitted into the combustion chamber by means of a tempering device in the air intake tract of the gasoline engine in that a modified CAI operating mode range is generated for the current engine operating point of the gasoline engine, which is opposite in terms of speed and / or torque limits the originally given CAI mode base range of the gasoline engine is shifted within an extended CAI mode maximum range.
  • the CAI operating mode range which becomes effective can be changed with respect to its outer limits.
  • it can be moved into rotational speed and / or torque ranges of the gasoline engine, which could not previously be covered or only inadequately covered by the CAI operating mode base region of the spark-ignition engine originally specified by the engine.
  • the invention also relates to a control unit for a gasoline engine for setting its CAI operating mode range, in particular according to one of the preceding claims, with a control system of a CAI operating mode range manager for controlling a temperature control device, which is arranged in the air intake tract of the gasoline engine, wherein the control system acting on the tempering device such that the supply temperature of the fresh air flow, of the respective a share in the combustion chamber of the respective
  • Is cylinder of the gasoline engine is variable before being admitted into the combustion chamber so that for the current engine operating point of the gasoline engine, a modified CAI mode range can be generated, with respect to speed and / or torque limits compared to the originally given CAI mode base range of the gasoline engine is shifted within an extended CAI mode maximum range.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a family of characteristics of a gasoline engine whose original CAI operating mode range is shifted according to a possible variant of the method according to the invention
  • Embodiment of a tempering device for heating or cooling a fresh air flow which is loaded into the respective cylinder of a gasoline engine for the next combustion phase, to the original CAI mode range of To shift the Otto engine into an extended CAI operating mode range according to a variant of the method according to the invention
  • FIG 3 is a schematic representation of a flowchart of the control and regulation steps in the control unit of a gasoline engine, such as e.g. of Figure 2 for the inventive displacement of the CAI mode range of this gasoline engine by means of a tempering device such. of Figure 2, and
  • Engine mode manager in the control unit for a gasoline engine such. of Figure 2.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a characteristic CAI operating mode range CAI1 based on a speed / torque diagram, which is originally associated with a gasoline engine CE (see FIG. 2) in partial load operation below its full load curve FL.
  • the torque TQ corresponds with an indicated mean pressure Pmi in the unit bar in the combustion chamber of the respective cylinder of the gasoline engine.
  • the gasoline engine permits a CAI combustion mode of operation only in a restricted, ie limited speed / torque range CAI1 of its total engine operating range EOA (see FIG. 4).
  • Supply temperature of the respective fresh air flow is determined, which is introduced into the combustion chamber of this cylinder, can be taken on the feed temperature of this supplied fresh air flow to the combustion curve in the respective cylinder influence.
  • the combustion process is characterized in particular by the so-called combustion focus (MBR50) as the descriptive variable.
  • MBR50 combustion focus
  • MBR50 is meant the centroid of the cylinder pressure curve over the cylinder volume or crankshaft angle.
  • the CAI base mode base area CAI1 is located there within the area of the extended CAI mode maximum area ECAI.
  • the temperature control of the respective fresh air flow provided for the proportionate charge is expediently carried out in such a way that the originally specified CAI operating mode range CAI1 for the current engine operating point OP1 of the Otto engine is shifted within the extended CAI operating mode maximum range ECAI (see FIG. 4) a reduction of the fuel consumption of the gasoline engine compared to the original CAI mode base region CAIl is effected.
  • a shifted CAI operating mode range is shown by dash-dotted lines by way of example with respect to its outer limits and designated by CAI2.
  • the original CAI mode base region CAI1 can be shifted toward higher torques TQ. This is symbolized in FIG. 1 by a shift arrow V4.
  • the CAI operation would otherwise be limited by the upper torque limit TQup of the given CAI mode range CAI1. For torque requirements above this upper limit TQup too much fuel would be introduced into the combustion chamber of the respective cylinder, so it would be too hot for the CAI mode when it burns.
  • retained and / or recycled residual gases or exhaust gases are required in the respective cylinder. The necessary for the CAI operation high
  • the gasoline engine has, for example, a current engine operating point OP1 in the region of the engine torque upper limit TQup of the originally specified CAI operating mode range CAI1. This means that there the CAI combustion operation only limited, especially unstable such as with constant switching between the CAI mode and the SI mode, or can not be performed.
  • the CAI engine mode properly, in particular largely stable to allow the original CAI mode range CAIl with respect to the current engine operating point OPl by temperature control of the feed temperature of the fresh air to be charged as much as possible, in particular so raised that the current engine operating point OPl in the shifted CAI mode area CAI2 continues to sit in its area inside the area as compared to the original CAI mode base area CAI1 and thus no longer at the upper torque level as in the original CAI mode area CAI1.
  • it can be assigned to a charge temperature at which a lower fuel consumption of the gasoline engine is effected than in its peripheral position at the outer boundary of the original CAI operating mode range CAI1.
  • Temper istöndels the amount of fresh air that is supplied to the combustion chamber of each cylinder, expediently varied in temperature so that for the current engine operating point a modified CAI mode range results, with respect to the speed and / or torque outer limits of the current engine operating point has the greatest possible distance ,
  • the amount of fresh air supplied is expediently cooled to the extent that the current engine operating point OPI preferably comes to rest in the center of the shifted CAI operating range CAI2. This may already be enough to get one
  • Amount of fresh air for the respective cylinder of the gasoline engine to vary so that the current engine operating point such as OPl as low as possible, especially minimal, allocate specific fuel consumption within the bounding area of the shifted CAI mode region such as CAI2.
  • an exemplary temperature control device TV for regulating the supply temperature TA of a fresh air flow AM2 is provided in the air intake tract IS of an Otto engine CE, which is made available to the cylinders of the gasoline engine CE for the proportionate charge in the output region of the intake manifold IM of the air intake tract IS.
  • the gasoline engine CE is preferably designed as a 4-cylinder engine. From the tempered fresh air stream AM2 a portion or a subset, for example, the combustion chamber CCl this first cylinder CYl supplied during the respective intake phase of the combustion cycle.
  • FIG. 1 For the sake of simplicity of drawing, in FIG.
  • the tempering device TV comprises a heating / cooling unit HE. This is designed in particular as a heat exchanger. It may preferably be formed by an already present in gasoline engine already existing air coolant or air engine oil heat exchanger.
  • the heating / cooling unit HE is seated in a "bypass" or branch line BP, which branches off a partial flow AM12 of an untempered fresh air flow AMl, which is sucked into the suction tube IM of the air intake tract IS via an inlet-side air filter AF
  • branch line BP branches off a partial flow AM12 of an untempered fresh air flow AMl, which is sucked into the suction tube IM of the air intake tract IS via an inlet-side air filter AF
  • a portion AMI1 of the intake fresh air flow AM1 is continued in an uncontrolled manner
  • the branched partial flow AM12 guided via the heating / cooling unit AE is used to shift the original CAI operating mode range, eg CAIl tempered in the desired manner and tempered Fresh air flow component AM13 again fed to the un-tempered fresh air flow component AMIl by means of a mixing flap MV.
  • the mixing flap MV sits in the exit region of the bypass line BP at the junction with the suction tube IM. Through the mixing flap MV, the temperature-controlled fresh air flow component AM13 and the un-tempered fresh air flow component AMI1 can be mixed with each other to the tempered total fresh air flow AM2, of which a share via an inlet valve IV of the combustion chamber CCl of the cylinder CYl in the respective intake stroke
  • Combustion cycle is supplied. After the compression stroke subsequent combustion cycle of this cylinder CYl the burned air / exhaust gas mixture is ejected in Au thoroughlytakt to a required for the CAI mode residual gas amount via an exhaust valve EV.
  • the tempering device TV is temperature-controlled by means of a control unit ECU, in particular an engine control unit.
  • the ECU controls the heating / cooling capacity of the heating system.
  • Cooling unit HE This is indicated in FIG. 2 by an action arrow CA1. Furthermore, it controls the position ⁇ of the mixing flap MV, which is symbolized in FIG. 2 by an active arrow CA2.
  • the control unit ECU can finally change the position of the
  • Throttle valve TH in the inlet region of the intake manifold IM affect the total sucked amount of the un-tempered fresh air flow AMl, which is illustrated by an effective arrow CA3.
  • the control unit ECU receives measurement signals MS1 of a temperature sensor TS1 in the inlet region of the intake manifold IM via a measuring line ML1 Measuring signals MS1 are representative of the current intake air temperature TIA, in particular for the ambient temperature in the region of the air intake tract IS, which is the intake air intake, still not tempered Fresh air flow AMl has.
  • measuring signals MS2 are supplied via a measuring line ML2 to the control unit ECU by a second temperature sensor TS2, which sits behind the mixing flap MV in the intake manifold IM in front of the cylinders such as CY1.
  • This second temperature sensor TS2 determines the current supply temperature TA of the temperature-controlled total fresh air flow AM2, from which a portion is ultimately sucked in through the inlet valve such as IV into the combustion chamber such as CCl of the respective cylinder such as CYl during its respective intake phase.
  • the measurement signals MS2 are representative of the measured, actual supply temperature TA of the fresh air quantity of the tempered fresh air stream AM2 provided for charging after the temperature control device TV has acted on the fresh air stream AM1 originally sucked into the suction pipe IM.
  • the mixing temperature TA of the fresh air stream AM2, from which a portion is made available for charging into the combustion chamber CCl, is determined, in particular from the initial temperature TIA of the fresh air stream AM1 sucked in on the inlet side
  • the feed temperature TA of the charge into the combustion chamber such as that shown in FIG. CCl of the respective cylinder, e.g. CYl tempered fresh air mass flow AM2 advantageously such varied, in particular adjusted that for the current engine operating point such.
  • OPl of the gasoline engine CE a CAI mode range such. CAI2 in which the lowest possible specific fuel consumption is effected.
  • the regulation of such a feed temperature TA is preferably carried out with the aid of the control system CS of a CAI mode area manager OM.
  • This is in particular part of an engine mode manager OMT in the ECU.
  • the engine mode manager OMT has the function of selecting the choice between the SI mode or any other engine mode of the gasoline engine and the CAI mode.
  • the CAI mode area manager OM may also be implemented as a standalone component or assembly independent of the engine mode manager OMT of the ECU.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the operating principle of the engine operating mode manager OMT and of the control system CS of the CAI operating mode area manager OM on the basis of a flow chart FC.
  • the functions of the control and regulation components of the engine mode manager OMT and CAI mode area manager OM are indicated below in FIGS. 3 and 4 by functional blocks.
  • the control and regulation components of the engine operating mode manager OMT and CAI mode- In particular, the area manager OM performs the following control and regulation steps in particular:
  • the engine mode manager OMT continuously checks by means of its control unit S1 whether for the current one
  • Engine operating point such as OPl a CAI engine mode at the currently present supply temperature TA of the proportionate charge provided fresh air flow AM2 is even possible.
  • the current engine operating point is in particular primarily by the current speed N of
  • the speed / torque value pairs within the extended CAI mode coverage area ECAI are assigned a lower, minimum CAI temperature limit TCmin and an upper, maximum CAI temperature limit TCmax. Between the lower, minimum CAI temperature limit TCmin and the upper, maximum CAI temperature limit TCmax are therefore those permitted feed temperatures of the respective fresh air quantity to be charged, the speed / torque value pairs within the extended, ie maximum possible CAI mode range ECAI can be assigned ,
  • These CAI temperature limits TCmin, TCmax are preferably stored in one or more maps for various engine operating points in the engine operating mode manager OMT for one or more different extended CAI engine mode maximum ranges.
  • the mode manager OMT decides in function block S5 that the CAI engine operation is prohibited or exited. He then changes the operating mode of the gasoline engine such. in SI engine operation or so-called "stratified" engine operation, i.e. stratified charge operation.
  • the current temperature TA of the temperature-controlled fresh air mass flow AM2 ready for the cylinder-share charge can preferably be determined with the aid of the temperature sensor TS2 (see FIG. 2).
  • the intake temperature TIA of the intake fresh air mass flow AMl, the air mass of the intake manifold IM intake air mass AMl measured by means of an air mass sensor, and the warm-up / cool power of the warming / cooling unit HE as an input parameter uses or includes to determine the current temperature TA of the fresh air mass flow AM2 provided for charging.
  • an air mass sensor AMS is shown by dash-dotted lines in the input region of the intake manifold IM by way of example.
  • the measuring line ML3 is also indicated by dash-dotted lines in FIG. If the engine operating mode manager OMT has determined that a CAI engine operating mode is possible for the current engine operating point, the CAI operating mode manager OM checks in function block S6 whether the CAI mode is already active. If this is not the case, the system switches to CAI engine operation.
  • the maximum cooling / heating power of the heating / cooling unit HE, in particular of the heat exchanger, is determined in the function block S10.
  • parameters or factors which are included in the warm-up / cooling effect of the tempering device TV are taken into account by means of the function block S9. These may be, for example, the air mass MAF sucked into the intake manifold IM, the intake temperature TIA of the air mass flow AMl drawn in on the input side, the coolant temperature TCO in the cooling circuit of the Otto engine CE, the setting angle ⁇ of the mixing valve, etc.
  • the current engine operating point such as e.g. OPl through
  • the maximum temperature TRmax and the minimum temperature TRmin are calculated in the function block Sil from the respective instantaneous feed temperature TA of the charge due to the maximum heating / cooling capacity of the heating / cooling unit HE the air mass flow AM2 is set at all.
  • the maximum heating power thus defines an upper temperature limit TRmax and the maximum cooling power a lower temperature limit TRmin, by which the current temperature TA of the fresh air flow AM2 to be charged can be maximally increased or maximally reduced.
  • the maximum possible action range of the temperature control is defined by the upper temperature limit TRmax and the lower temperature limit TRmin.
  • the maximum lowering temperature becomes
  • Supply temperature TA can be cooled or heated.
  • the maximum heating power of the tempering device TV thus sets an upper temperature limit TRmax and the maximum cooling power a lower temperature limit TRmin fixed by the current temperature TA of the proportion of the to be charged
  • Fresh air flow AM2 can be maximally increased or maximally reduced.
  • a function f of the current engine operating point e.g. OPl determined at a fuel economy optimum, i. to a fuel economy minimum, in terms of the total engine operating range EOA considered.
  • Total engine operating range EOA (see Figure 4) is absolutely optimal consumption.
  • function block S12 it is checked whether for the current engine operating point this consumption-optimal target supply temperature TVO at all with the help of the available heating / cooling capacity of Temper michsvortechnisch TV, in particular their warming / cooling unit HE, starting from the currently present feed temperature TA of the ready-to-charge fresh air mass flow AM2 at the moment present Temper michsuiten in Air intake tract IS of the gasoline engine CE for the current CAI operating mode range such as CAIl or CAI2 is adjustable. It is analyzed in the function block S12, whether the consumption-optimal
  • Temperature TVO within the temperature limits TVmin, TVmax for the current CAI mode range such as CAIl or CAI2 of the gasoline engine, which are associated with the speed / torque value pairs. If this is the case, then the consumption-optimal temperature TVO in function block S17 is used as desired feed temperature TS TVO, to which the control system CS adjusts to form a control deviation variable ⁇ T. This is formed by means of a logical subtraction unit S18 from the difference between the current supply temperature TA of the fresh air flow AM2 ready for the proportionate charge and the respectively determined set feed temperature TS for the respective CAI operating mode range in the function block S19.
  • the mixing flap MV (see FIG. 2) is adjusted in such a way on account of the setpoint temperature difference ⁇ T, ie its setting angle ⁇ changed such that the feed temperature TA of the fresh air flow AM2 to be charged is brought substantially to the respective desired setpoint feed temperature TS.
  • the feed temperature TA TVR determined for the currently available temperature CAI operating range such as CAIl based on its associated temperature limits TVmin, TVmax allows a relative, local consumption minimum.
  • the maximum CAI action range of the temperature control is determined with the aid of the currently available heating / cooling power of the heating / cooling unit HE for the current engine operating point such as OP1 and the present feed temperature TA and the other Temper istsuiten in the air intake tract possible, ie can be effected.
  • the engine speed / torque area, which is covered by the respective CAI action range that can be effected, such as CAI2, can be assigned, for example, the lower CAI operating range temperature limit TVmin and the upper CAI operating range temperature limit TVmax on the basis of stored maps. These uniquely determine in which temperature range the feed temperature TA is to be set in order to enable a CAI operating mode for the current engine operating point.
  • the temperature limits TVmin, TVmax of the respective CAI mode base region originally specified by the engine, such as CAI1 or shifted or modified CAI operating mode range such as CAI2, are also determined in function block S13.
  • the control system CS thus finds out which minimum and maximum feed temperatures TVmin, TVmax the speed / torque pairs N / TQ within the originally given CAI mode range CAIl or respectively shifted CAI mode range such as CAI2 are assignable. These form a lower and an upper relative temperature limit TVmin, TRmax relative to the CAI operating mode range present in each case, such as CAI1 or CAI2. From the range between these lower and upper temperature limits TVmin, TVmax, the temperature TVR is then determined at which a relative fuel consumption minimum results based on the present CAI engine operating point.
  • one of the total number of CAI operating mode ranges which can be set with the temperature control device's present tempering capacity, to be selected such that for the current engine operating point, such as, for example.
  • OP1 shifts the original CAI mode base area CAI1 within the extended CAI mode area ECAI such that a shifted CAI mode area such as e.g. CAI2 results within the current one
  • Fuel consumption minimum it may be appropriate to place it in a third lowest path priority path Prio3 for the respective adjustable CAI mode range, e.g. CAI2 to determine a central temperature TMIT for its clamped speed / torque surface.
  • the central temperature TMIT is the temperature which corresponds to that of the rotational speed.
  • the central temperature TMIT corresponds in particular essentially to
  • the setpoint feed temperature TS used is the CAI center temperature TVMIT determined in function block S16, to which the control system CS adjusts.
  • the average representable temperature is set. In particular, it defines itself as the temperature at which area weighting according to load and rotational speed permits a possible large distance to the respective CAI action limit of the respectively adjustable CAI operating mode range.
  • step COP an operating point change of the gasoline engine is forced or necessary as, for example, due to a Gear change, the current load point, ie the current speed N and the current torque TQ of the gasoline engine is determined.
  • the current load point ie the current speed N and the current torque TQ of the gasoline engine is determined.
  • Function block UDG calculates the corresponding slope or gradient.
  • DRG driving resistance curve
  • the engine operating mode manager OMT determines whether an optimized, extended CAI operation CAIM is even possible, or whether the gasoline engine is to be operated in SI operation SIM. If CAI operation is possible, an optimization, in particular extension, of the CAI operating mode is carried out according to the principle according to the invention. For this purpose, current operating parameters IMP of the air intake stroke, such as the intake air temperature, mixing temperature of the admissible fresh air mass flow, coolant temperature, heat transfer of the heat exchanger, etc., are determined and supplied to the CAI mode area manager OM.
  • the CAI mode area manager OM for evaluation and optimization for setting an optimum SOIl feed temperature TA for the extended CAI operation CAIM provided.
  • CAI operating mode in particular essentially the favorable fuel consumption and low NOx emissions, are therefore significantly more significant.
  • CAI operation can be extended by a possible shift due to targeted temperature control of the supplied fresh air mass flow to torques and / or speeds outside the limits of the original, engine-related CAI mode base area - such as CAIl here.

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Abstract

Zum Einstellen des CAI-Betriebsart-Bereichs (CAI1) eines Ottomotors (CE) wird die Zuführtemperatur (TA) des Frischluftstroms (AM2), mit dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum (CC1) des jeweiligen Zylinders (CY1) des Ottomotors (CE) geladen wird, vor dem Einlassen in den Brennraum (CC1) mittels einer Temperierungsvorrichtung (TV) derart variiert, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt (OP1) des Ottomotors (CE) ein veränderter CAI-Betriebsart-Bereich (CAI2) erzeugt wird, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich (CAI1) des Ottomotors (CE) innerhalb eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs (ECAI) verschoben ist.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM EINSTELLEN DES BETRIEBSBEREICHS EINES
HCCI VERBRENNUNGSMOTORS
Beim sogenannten ottomotorischen CAI (= "Controlled Auto Ignition")- Motorbetriebsverfahren wird ein mageres, homogenes Luft-Kraftstoffgemisch kontrolliert zur Selbstentzündung gebracht. Dies wird dadurch initiiert, dass im jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors heißes Restgas bzw. Abgas vom jeweilig vorausgehenden Verbrennungs- bzw. Arbeitstakt zurückgehalten und/oder durch interne und/oder externe Abgasrückführung zurückgeführt wird sowie der Druck und die Temperatur im Brennraum des jeweiligen Zylinders während dessen jeweilig nächsten
Kompressionstaktes/Verbrennungstaktes erhöht werden. Einzelheiten zum CAI-Betriebsart-Verbrennungsverfahren für Ottomotoren sind insbesondere z.B. im Beitrag „Regelungskonzepte in Ottomotoren mit homogen- kompressionsgezündeter Verbrennung, Dr. Hans-Otto Herrman, Dr. Rüdiger Herweg, Dr. Günter Karl, Dipl.-Ing. Matthias Pfau, Dipl.-Ing. Mayk Stelter, DaimlerChrysler AG, Stuttgart, Dipl.-Ing. Dietmar Ellmer, Siemens VDO, Regensburg, Congress „Haus der Technik" Controlled Auto Ignition, 20.-21. Oktober 2005, Essen angegeben. Im Unterschied zum konventionellen SI- (= „spark ignited") oder Dieselverfahren steht bei der ottomotorischen CAI- Motorbetriebsart über die Zündung bzw. die Kraftstoffeinspritzung kein Instrument bzw. Mittel zum expliziten Auslösen der Verbrennung zur Verfügung. Beim ottomotorischen CAI-Betriebsart-Verbrennungsverfahren gehen insbesondere neben der Ladungsbeschaffenheit der Luft- /Kraftstoffmenge, die in den jeweiligen Zylinder geladen bzw. eingebracht worden ist, die dortigen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse für den Beginn der Verbrennung und den weiteren Verbrennungsverlauf mit ein, was die Beherrschung, d.h. gezielte Kontrolle des Verbrennungsprozesses des Ottomotors schwierig macht. Weiterhin ist der motortechnisch bedingte CAI- Betriebsart-Basisbereich eines gegebenen Verbrennungsmotors in der Praxis unter manchen Gegebenheiten zu eingeschränkt. Z.B. können beim jeweiligen Verbrennungsverlauf zu hohe, den Verbrennungsmotor schädigende Druckgradienten hohe Drehzahlbereiche des Ottomotors ausschließen oder kritisch machen. Die für die CAI-Motorbetriebsart notwendigen hohen Restgasraten im jeweiligen Zylinder können dessen Füllung mit Luft/Kraftstoff für den nächsten Arbeitstakt ggf. zu sehr beschränken und damit das bewirkbare Drehmoment an der Kurbelwelle des Ottomotors in unerwünschter Weise begrenzen. Weiterhin können die Gefahr der verschleppten Verbrennung aufgrund zu niedriger Ladungstemperaturen und der daraus resultierende, nach „spät" (bezogen auf den Beginn des jeweiligen Arbeitstakts des jeweiligen Zylinders) verschobene Verbrennungsbeginn im Brennraum des jeweiligen Zylinders den Drehzahlbetriebsbereich für das CAI-Betriebsart-Verfahren nach unten hin begrenzen. Unter anderem durch diese beispielhaft angeführten Faktoren kann das Potential des ansonsten wirkungsgradstarken und emissionsgünstigen CAI- Betriebsart-Brennverfahrens für manche Motorbetriebspunkte nur eingeschränkt oder gar nicht ausgeschöpft werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie der Betriebsbereich der CAI-Betriebsart eines Ottomotors in einfacher Weise erweitert und damit das Potential des CAI-Verbrennungsverfahrens weiter ausgeschöpft werden kann. Diese Aufgabe wird durch folgendes erfindungsgemäße Verfahren gelöst:
Verfahren zur Einstellung des CAI-Betriebsart-Bereichs eines Ottomotors, indem die Zuführtemperatur des Frischluftstroms, von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum des jeweiligen Zylinders des Ottomotors geladen wird, vor dem Einlassen in den Brennraum mittels einer Temperierungsvorrichtung im Luftansaugtrakt des Ottomotors derart variiert wird, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt des Ottomotors ein veränderter CAI-Betriebsart-Bereich erzeugt wird, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich des Ottomotors innerhalb eines erweiterten CAI-Betriebsart- Maximalbereichs verschoben ist.
Durch dieses erfindungsgemäße Thermomanagement des zugeführten Frischluftstroms, von dem jeweils ein Anteil in den Brennraum des jeweiligen Zylinders während dessen Ansaugphase geladen wird, lässt sich der wirksam werdende CAI-Betriebsart-Bereich hinsichtlich seiner Außengrenzen verändern. Insbesondere lässt er sich in Drehzahl- und/oder Drehmomentbereiche des Ottomotors verschieben, die zuvor durch den ursprünglich motortechnisch vorgegebenen CAI- Betriebsart-Basisbereich des Ottomotors nicht oder nur unzureichend abgedeckt werden konnten. Auf diese Weise lässt sich für einen aktuellen Motorbetriebspunkt des Ottomotors, der im ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereich eine Lage einnimmt, die als relativ instabil hinsichtlich der CAI- Betriebsart eingestuft wird und/oder mit der ein weniger günstiger Kraftstoffverbrauch des Ottomotors einhergeht, durch Temperierung des anteilig zu ladenden Frischluftstroms ein veränderter, insbesondere verschobener CAI-Betriebsart- Bereich derart in kontrollierter Weise erzeugen, dass ein stabilerer CAI-Betrieb und/oder eine verbesserte Kraftstoffersparnis gegenüber dem bisherigen, stationären CAI-Betriebsart-Verfahren bewirkt ist, bei dem die Drehzahl- /Drehmomentgrenzen des ursprünglichen CAI-Betriebsart- Basisbereichs durch die ottomotorischen Gegebenheiten fest vorgegeben sind. Mit anderen Worten ausgedrückt wird es durch die zusätzliche Temperierung der jeweiligen Frischluftmenge, die in den jeweiligen Zylinder für dessen jeweiligen Arbeitsbzw. Verbrennungstakt geladen wird, in Bezug auf den aktuellen Motorbetriebspunkt in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine Relativverschiebung des vorgegebenen CAI- Betriebsart-Basisbereichs über dessen ursprüngliche Drehzahl- und/oder Drehmomentaußengrenzen hinaus um einen bestimmten Prozentsatz bzw. Anteilsfaktor zu bewirken, so dass sich insgesamt ein erweiterter CAI-Betriebsart-Bereich für den Ottomotor ergibt. Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät für einen Ottomotor zum Einstellen dessen CAI-Betriebsart-Bereichs, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Regelungssystem eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers zur Regelung einer Temperierungsvorrichtung, die im Luftansaugtrakt des Ottomotors angeordnet ist, wobei das Regelungssystem derart auf die Temperierungsvorrichtung einwirkt, dass die Zuführtemperatur des Frischluftstroms, von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum des jeweiligen
Zylinders des Ottomotors geladen wird, vor dem Einlassen in den Brennraum so variierbar ist, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt des Ottomotors ein veränderter CAI- Betriebsart-Bereich erzeugbar ist, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich des Ottomotors innerhalb eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs verschoben ist.
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindungen und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein Kennlinienfeld eines Ottomotors, dessen ursprünglicher CAI- Betriebsart-Bereich nach einer möglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verschoben wird,
Figur 2 in schematischer Darstellung ein
Ausführungsbeispiel einer Temperierungsvorrichtung zum Aufwärmen oder Abkühlen eines Frischluftstroms, der in den jeweiligen Zylinder eines Ottomotors für dessen nächste Verbrennungsphase geladen wird, um den ursprünglichen CAI-Betriebsart-Bereich des Ottomotors in einen erweiterten CAI-Betriebsart- Bereich nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verschieben,
Figur 3 in schematischer Darstellung ein Ablaufdiagramm der Steuer- und Regelungsschritte im Steuergerät eines Ottomotors wie z.B. von Figur 2 zur erfindungsgemäßen Verschiebung des CAI-Betriebsart- Bereichs dieses Ottomotors mittels einer Temperierungsvorrichtung wie z.B. von Figur 2, und
Figur 4 in schematischer Übersichtsdarstellung die
Funktion- und Wirkungsweise eines CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers als Teil eines
Motorbetriebsartenmanagers im Steuergerät für einen Ottomotor wie z.B. von Figur 2.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 mit 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines Drehzahl-/Drehmoment- Diagramms einen charakteristischen CAI- Betriebsart-Bereich CAIl, der einem Otto-Verbrennungsmotor CE (siehe Figur 2) ursprünglich im Teillastbetrieb zu Eigen ist, unterhalb dessen Volllastkurve FL. Entlang der Abszisse ist dabei die Drehzahl (= "engine speed") N der Kurbelwelle des Ottomotors CE in Umdrehungen pro Minute (rpm="revolutions per minute"), sowie entlang der Ordinaten des Drehzahl- /Drehmoment-Diagramms das Drehmoment TQ aufgetragen, das an der Kurbelwelle des Ottomotors CE für die jeweilige Drehzahl N wirksam wird. Das Drehmoment TQ korrespondiert dabei mit einem indizierten Mitteldruck Pmi in der Einheit bar im Brennraum des jeweiligen Zylinders des Ottomotors. Der Ottomotor erlaubt aufgrund seiner bautechnischen Gegebenheiten eine CAI-Verbrennungsbetriebsart lediglich in einem eingeschränktem, d.h. begrenzten Drehzahl- /Drehmomentbereich CAIl seines Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA (siehe Figur 4) . Vorzugsweise liegt dieser bautechnisch bedingte CAI-Betriebsart-Bereich etwa zwischen Drehzahlgrenzen von N = 1500 bis N= 4600 rpms sowie zwischen Drehmomentgrenzen TQ, die im wesentlichen einem indizierten Mitteldruck Pmi zwischen 1,5 bar und 6 bar entsprechen.
Da die Ladungstemperatur des jeweilig in dem Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebrachten Luft-
/Ottokraftstoffgemisches den Beginn und weiteren Verlauf der Verbrennung dieses Gemisches beeinflusst und die Ladungstemperatur dieses Gemisches maßgeblich von der
Zuführtemperatur des jeweiligen Frischluftstroms bestimmt wird, der in die Brennkammer dieses Zylinders eingebracht wird, kann über die Zuführtemperatur dieses zugeführten Frischluftstroms auf den Brennverlauf im jeweiligen Zylinder Einfluss genommen werden. Der Brennverlauf wird dabei insbesondere durch den sogenannten Verbrennungsschwerpunkt (MBR50) als beschreibende Größe charakterisiert. Mit MBR50 ist der Flächenschwerpunkt der Zylinderdruckverlaufskurve über dem Zylindervolumen bzw. Kurbelwellenwinkel gemeint.
Indem mittels einer Temperierungsvorrichtung die Zuführtemperatur des jeweiligen Frischluftstroms geregelt, d.h. allgemein ausgedrückt variiert wird, von dem jeweils ein Anteil in den Brennraum des jeweiligen Zylinders für den jeweiligen Verbrennungsvorgang geladen bzw. eingebracht wird, lässt sich in vorteilhafter Weise der ursprüngliche CAI- Betriebsart-Basisbereich hinsichtlich seiner relativen Lage im Drehzahl-/Drehmoment- Diagramm des Ottomotors um einen bestimmten Prozentsatz seiner Drehzahlgrenzen und/oder Drehmomentgrenzen verschieben bzw. verlagern. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine Verschiebung der Drehzahlober- und Drehzahluntergrenze gegenüber der Drehzahlberandung bzw. den Drehzahlaußengrenzen des ursprünglichen CAI-Betriebsart- Basisbereichs ermöglicht. Die für eine Zylinderfüllung zu ladende Frischluftmenge wird mit Hilfe der
Temperierungsvorrichtung derart erwärmt oder gekühlt, dass die untere sowie obere Drehzahlgrenze und/oder untere sowie obere Drehmomentgrenze des ursprünglich vorliegenden CAI- Betriebsart-Basisbereichs jeweils um einen bestimmten Anteil erhöht oder erniedrigt wird. Die Gesamtheit aller verschobenen CAI-Betriebsart-Bereiche, die die durch die zur Verfügung stehende Temperierungsleistung der Temperierungsvorrichtung generiert werden können und jeweils einen CAI-Betrieb erlauben, decken einen erweiterten CAI- Betriebsart-Maximalbereich ab. Aufgrund der vorgegebenen, maximal möglichen Aufheizungsleistung sowie der vorgegebenen, maximal möglichen Abkühlungsleistung der Temperierungsvorrichtung ist also eine maximale
Relativverschiebung bzw. Aufweitung des ursprünglich motortechnisch gegebenen CAI- Basis- Betriebsart- Basisbereichs CAIl hinsichtlich Drehzahl N und Drehmoment TQ auf einen erweiterten, maximal möglichen CAI-Betriebsart- Abdeckungsbereich ermöglicht. Dieser ist in der Figur 4 in der unteren Bildhälfte innerhalb des
Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA schematisch dargestellt und mit ECAI bezeichnet. Der CAI-Basis-Betriebsart-Basisbereich CAIl liegt dort innerhalb der Fläche des erweiterten CAI- Betriebsart-Maximalbereichs ECAI.
Die Temperierung des jeweilig zur anteiligen Ladung bereitgestellten Frischluftstroms wird zweckmäßigerweise derart vorgenommen, dass der ursprünglich vorgegebene CAI- Betriebsart-Bereich CAIl für den aktuellen Motorbetriebspunkt OPl des Ottomotors so innerhalb des erweiterten CAI- Betriebsart-Maximalbereichs ECAI (siehe Figur 4) verschoben wird, dass eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des Ottomotors gegenüber dem ursprünglichen CAI-Betriebsart- Basisbereich CAIl bewirkt wird. In der Figur 1 ist ein derart verschobener CAI-Betriebsart-Bereich hinsichtlich seiner Außengrenzen beispielhaft strichpunktiert eingezeichnet und mit CAI2 bezeichnet.
Im einzelnen ermöglicht eine Abkühlung der Zuführtemperatur des in den Brennraum des jeweiligen Zylinders anteilig eingebrachten Frischluftstroms eine Verschiebung bzw. Anhebung des ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereichs CAIl zu höheren Drehzahlen N hin, was in der Figur 1 durch einen Verschiebepfeil Vl angedeutet ist. Ohne Temperierungsmaßnahme wäre ansonsten die CAI-Betriebsart durch die obere Drehzahlgrenze Nup des eingeschränkten, ursprünglich vorgegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereichs CAIl beschränkt. Denn bei Drehzahlen N über diese Obergrenze Nup hinaus würde der zeitliche Abstand von einer Verbrennung zur nächsten Verbrennung im jeweiligen Zylinder des gegebenen Ottomotors so kurz, dass zu wenig Zeit zur ausreichenden Abkühlung des Brennraums des jeweiligen Zylinders verfügbar wäre, wodurch die Innenwände des Brennraums des jeweiligen Zylinders zu heiß werden und beim jeweiligen Verbrennungsprozess zylinderschädigende Druckgradienten auftreten könnten.
Durch Abkühlung der dem jeweiligen Zylinderbrennraum zugeführten Frischluftmenge lässt sich der ursprüngliche CAI- Betriebsart-Basisbereich CAIl zu höheren Drehmomenten TQ hin verschieben. Dies ist in der Figur 1 durch einen Verschiebepfeil V4 symbolisiert. Ohne Temperierungsmaßnahme wäre der CAI-Betrieb ansonsten durch die obere Drehmomentgrenze TQup des gegebenen CAI-Betriebsart-Bereichs CAIl begrenzt. Denn bei Drehmomentanforderungen oberhalb dieser Obergrenze TQup würde zu viel Kraftstoff in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebracht werden, so es dort bei dessen Verbrennung zu heiß für die CAI-Betriebsart werden würde. Zur Initiierung des jeweiligen CAI- Verbrennungsvorgangs sind im jeweiligen Zylinder zurückgehaltene und/oder zurückgeführte Restgase bzw. Abgase gefordert. Die für den CAI-Betrieb notwendigen hohen
Restgasraten im Brennraum des jeweiligen Zylinders begrenzen aber die Füllung mit Frischluft und Kraftstoff für den nächsten Verbrennungsvorgang, wodurch der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsart-Basisbereich CAIl die obere Grenze TQup aufweist.
Durch Erhöhung der Zuführtemperatur der in den Brennraum des jeweiligen Zylinders eingebrachten Luftmenge wird eine Verschiebung des CAI-Betriebsbereichs CAIl zu niedrigeren Drehzahlen N hin ermöglicht, was in der Figur 1 durch einen Verschiebepfeil V3 angedeutet ist. Ohne Temperierungsmaßnahme weist der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsart-Basisbereich CAIl eine Drehzahluntergrenze Ndo auf. Denn bei zu niedrigen Drehzahlen N würde die Ladungstemperatur der eingebrachten Luftmenge aufgrund von Wandwärmeverlusten der Brennkammer des jeweiligen Zylinders für die gewünschte Selbstzündung des eingebrachten Kraftstoff-/Luftgemisches zu niedrig. Die Gefahr sogenannter verschleppter Verbrennungen aufgrund zu niedriger Ladungstemperaturen der in den jeweiligen Zylinder zugeführten Frischluft und daraus resultierendem, zu spätem Verbrennungsbeginn einer in den jeweiligen Zylinder eingebrachten Luft-/Kraftstoffmenge begrenzt deshalb den gegebenen CAI-Betriebsart-Basisbereich CAIl hinsichtlich der Drehzahl N nach unten hin.
Nach unten hin ergibt sich eine Begrenzung TQdo des Drehmoments TQ des CAI-Verbrennungsprozesses, wenn zu wenig Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder eingebracht wird und somit die Wärmeentwicklung pro Ladungsvorgang nicht mehr für eine Selbstzündung ausreicht. Durch zusätzliche Aufwärmung der in den jeweiligen Zylinderbrennraum zugeführten Frischluftmenge lässt sich die ursprüngliche Lage des CAI- Betriebsart-Basisbereichs CAIl auch zu niedrigeren Drehmomenten TQ hin - als ursprünglich durch die Charakteristik des Ottomotors festgelegt - verändern. In der Figur 1 ist dies durch einen Verschiebepfeil V2 gekennzeichnet .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel von Figur 1 weist der Ottomotor z.B. einen aktuellen Motorbetriebspunkt OPl im Bereich der Motordrehmoment-Obergrenze TQup des ursprünglich vorgegebenen CAI-Betriebsart-Bereichs CAIl auf. Dies bedeutet, dass dort der CAI-Verbrennungsbetrieb nur eingeschränkt, insbesondere instabil wie z.B. mit ständigen Wechseln zwischen der CAI-Betriebsart und der SI-Betriebsart, oder gar nicht mehr durchgeführt werden kann. Um dennoch auch in diesem Motorbetriebspunkt OPl die CAI-Motorbetriebsart einwandfrei, insbesondere weitgehend stabil, zu ermöglichen, wird der ursprüngliche CAI-Betriebsart-Bereich CAIl bezüglich des aktuellen Motorbetriebspunkts OPl mittels Temperierung der Zuführtemperatur der zu ladenden Frischluftmenge möglichst so verschoben, insbesondere angehoben, dass der aktuelle Motorbetriebspunkt OPl im verschobenen CAI- Betriebsart-Bereich CAI2 weiter in dessen Flächeninnerem als beim ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereich CAIl und damit nicht mehr am oberen Drehmomentrand wie beim ursprünglichen CAI-Betriebsart-Bereich CAIl sitzt. Dadurch kann ihm eine Ladungstemperatur zugeordnet werden, bei der ein geringerer Kraftstoffverbrauch des Ottomotors als bei seiner Randlage an der Außengrenze des ursprünglichen CAI- Betriebsart-Bereichs CAIl bewirkt wird.
Allgemein ausgedrückt wird mittels der
Temperierungsvorrichtung die Frischluftmenge, die dem Brennraum des jeweiligen Zylinders zugeführt wird, hinsichtlich ihrer Temperatur zweckmäßigerweise derart variiert, dass für den aktuellen Motorbetriebpunkt ein modifizierter CAI-Betriebsart-Bereich resultiert, bezüglich dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentaußengrenzen der aktuelle Motorbetriebspunkt einen möglichst großen Abstand aufweist.
Hier im Ausführungsbeispiel von Figur 1 wird die zugeführte Frischluftmenge zweckmäßigerweise soweit abgekühlt, dass der aktuelle Motorbetriebspunkt OPl vorzugsweise im Mittenbereich des verschobenen CAI-Betriebsbereichs CAI2 zu liegen kommt. Dies kann bereits ausreichen, dass sich eine
Kraftstoffersparnis im Vergleich zur Randlage des Motorbetriebspunkts OPl im Bereich der oberen Drehmomentgrenze des ursprünglichen CAI-Betriebsart- Basisbereichs CAI bewirken lässt. Verallgemeinert ist es also zweckmäßig, die Zuführtemperatur der jeweilig angesaugten
Frischluftmenge für den jeweiligen Zylinder des Ottomotors so zu variieren, dass sich dem aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl ein möglichst geringer, insbesondere minimaler, spezifischer Kraftstoffverbrauch innerhalb der Begrenzungsfläche des verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 zuordnen lässt.
In der Figur 2 ist im Luftansaugtrakt IS eines Ottomotors CE eine beispielhafte Temperierungsvorrichtung TV zur Regelung der Zuführtemperatur TA eines Frischluftstroms AM2 vorgesehen, der im Ausgangsbereich des Saugrohrs IM des Luftansaugtrakts IS den Zylindern des Ottomotors CE zur anteiligen Ladung gemeinsam zur Verfügung gestellt wird. Hier im Ausführungsbeispiel von Figur 2 ist der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber lediglich der erste Zylinder CYl des Ottomotors CE dargestellt. Der Ottomotor CE ist dabei vorzugsweise als 4-Zylindermotor ausgebildet. Vom temperierten Frischluftstrom AM2 wird ein Anteil bzw. eine Teilmenge beispielsweise dem Brennraum CCl dieses ersten Zylinders CYl während der jeweiligen Ansaugphase dessen Verbrennungszyklus zugeführt. Der zeichnerischen Einfachheit halber sind in der Figur 2 die übrigen Zylinder des Ottomotors CE weggelassen worden. Sie werden in analoger Weise mit Anteilen bzw. Teilmengen des temperierten Frischluftstroms AM2 versorgt. Die Temperierungsvorrichtung TV umfasst eine Aufheizung-/Abkühlungseinheit HE. Diese ist insbesondere als Wärmetauscher ausgebildet. Sie kann vorzugsweise durch einen beim Ottomotor sowieso bereits vorhandenen Luft- Kühlmittel- oder Luft- Motorölwärmetauscher gebildet sein. Die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE sitzt in einer „Bypass" bzw. Abzweig-Leitung BP, die einen Teilstrom AM12 eines untemperierten Frischluftstroms AMl abzweigt, der über ein eingangsseitiges Luftfilter AF in das Saugrohr IM des Luftansaugtraktes IS eingesaugt wird. Der Frischluftstrom AMl hat insbesondere etwa Umgebungstemperatur. Im Saugrohr IM wird nach dem Abzweig der Bypass-Leitung BP ein Anteil AMIl des angesaugten Frischluftstroms AMl untemperiert weitergeführt. Der über die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit AE geführte, abgezweigte Teilstrom AM12 wird zur Verschiebung des ursprünglichen CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAIl in gewünschter Weise temperiert und als temperierter Frischluftstromanteil AM13 wieder dem untemperierten Frischluftstromanteil AMIl mittels einer Mischklappe MV zugeführt. Die Mischklappe MV sitzt dabei im Austrittsbereich der Bypassleitung BP am Zusammenführort mit dem Saugrohr IM. Durch die Mischklappe MV lässt sich der temperierte Frischluftstromanteil AM13 sowie der untemperierte Frischluftstromanteil AMIl miteinander zum temperierten Gesamtfrischluftstrom AM2 vermischen, von dem jeweils ein Anteil über ein Einlassventil IV der Brennkammer CCl des Zylinders CYl im jeweiligen Ansaugtakt dessen
Verbrennungszyklus zugeführt wird. Nach dem dem Kompressionstakt nachfolgenden Verbrennungstakt dieses Zylinders CYl wird das verbrannte Luft-/Abgasgemisch im Austoßtakt bis auf eine für die CAI-Betriebart geforderte Restgasmenge über ein Auslassventil EV ausgestoßen.
Die Temperierungsvorrichtung TV wird mittels eines Steuergeräts ECU, insbesondere eines Motorsteuergeräts, temperaturgeregelt. Dazu kontrolliert das Steuergerät ECU im Einzelnen die Heiz- /Kühlleistung der Aufheizungs-
/Abkühlungseinheit HE. Dies ist in der Figur 2 durch einen Wirkpfeil CAl angedeutet. Weiterhin steuert es die Stellung Δα der Mischklappe MV, was in der Figur 2 durch einen Wirkpfeil CA2 symbolisiert ist. Das Steuergerät ECU kann schließlich durch Veränderungen der Stellung der
Drosselklappe TH im Eingangsbereich des Saugrohrs IM die insgesamt eingesaugte Menge des untemperierten Frischluftstroms AMl beeinflussen, was durch einen Wirkpfeil CA3 veranschaulicht wird. Zur Temperaturregelung des Frischluftstroms AM2, der (in Strömungsrichtung) hinter der „Bypass"-Leitung BP betrachtet zur anteiligen Ladung in den jeweiligen Zylinder bereitgestellt wird, erhält das Steuergerät ECU Messsignale MSl eines Temperatursensors TSl im Eingangsbereich des Saugrohrs IM über eine Messleitung MLl. Diese Messsignale MSl sind repräsentativ für die aktuelle Ansauglufttemperatur TIA, insbesondere für die Umgebungstemperatur im Bereich des Luftansaugtrakts IS, die der eingangsseitig angesaugte, noch untemperierte Frischluftstrom AMl aufweist. Weiterhin werden Messsignale MS2 über eine Messleitung ML2 an das Steuergerät ECU von einem zweiten Temperatursensor TS2 geliefert, der hinter der Mischklappe MV im Saugrohr IM vor den Zylindern wie z.B. CYl sitzt. Dieser zweite Temperatursensor TS2 ermittelt die aktuelle Zuführtemperatur TA des temperierten Gesamtfrischluftstroms AM2, von dem ein Anteil letztlich durch das Einlassventil wie z.B. IV in den Brennraum wie z.B. CCl des jeweiligen Zylinders wie z.B. CYl während dessen jeweiliger Ansaugphase eingesaugt wird. Die Messsignale MS2 sind repräsentativ für die gemessene, aktuelle Zuführtemperatur TA der zur Ladung bereitgestellten Frischluftmenge des temperierten Frischluftstroms AM2 nach Einwirken der Temperierungsvorrichtung TV auf den ursprünglich in das Saugrohr IM eingesaugten Frischluftstrom AMl.
Alternativ zum Ausführungsbeispiel von Figur 2, bei dem der Frischluftstromanteil bzw. Teilstrom AM12 mittels der „Bypass"-Leitung BP über eine Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE, insbesondere über einen Wärmetauscher, geleitet und dann wieder mit dem untemperiert gebliebenen Frischluftreststrom AMIl im Saugrohr IM mittels der Mischklappe MV zusammengeführt wird, kann es ggf. auch zweckmäßig sein, die „Bypass"-Leitung BP und die Mischklappe MV wegzulassen und die Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE im oder am Saugrohr IM selbst anzuordnen und somit den gesamten, eingangsseitig angesaugten Frischluftstrom AMl direkt bzw. unmittelbar zu temperieren .
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 bestimmt sich die Mischungstemperatur TA des Frischluftstroms AM2, von dem ein Anteil zur Ladung in die Brennkammer CCl zur Verfügung gestellt wird, insbesondere aus der Anfangstemperatur TIA des eingangsseitig angesaugten Frischluftstroms AMl im
Eingangsbereich des Saugrohrs IM, dem über die Aufheizung- /Abkühlungseinheit HE geleiteten Frischluftstromanteil AMl2, dem temperierten, zur anteiligen Ladung bereitgestellten Gesamtfrischluftmassenstrom AM2, der Temperatur der Aufheizungs-/Abkühlungseinheit HE, sowie den wärmeübergangstechnischen Gegebenheiten der Temperierungsvorrichtung TV, wie zum Beispiel dem Wärmeübergangs-Wirkungsgrad der Aufheizungs-/Kühleinheit HE.
Zusammenfassend betrachtet wird die Zuführtemperatur TA des zur Ladung in den Brennraum wie z.B. CCl des jeweiligen Zylinders wie z.B. CYl temperiert bereitgestellten Frischluftmassenstroms AM2 in vorteilhafter Weise derart variiert, insbesondere eingeregelt, dass sich für den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl des Ottomotors CE ein CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 einstellt, bei dem ein möglichst geringer spezifischer Kraftstoffverbrauch bewirkt wird. Die Einregelung einer solchen Zuführtemperatur TA wird vorzugsweise mit Hilfe des Regelungssystems CS eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers OM durchgeführt. Dieser ist insbesondere Bestandteil eines Motorbetriebsartenmanagers OMT im Steuergerät ECU. Der Motorbetriebsartenmanager OMT hat dabei die Funktion, die Auswahl zwischen der SI-Betriebsart oder einer sonstigen Motorbetriebsart des Ottomotors und der CAI-Betriebsart zu wählen. Gegebenenfalls kann der CAI- Betriebsart-Bereichsmanager OM auch als eine eigenständige Komponente oder Baugruppe unabhängig vom Motorbetriebsartenmanager OMT des Steuergeräts ECU implementiert sein.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines Flussdiagramms FC das Funktionsprinzip des Motorbetriebsartenmanagers OMT und des Regelungssystems CS des CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers OM. Die Funktionen der Steuer- oder Regelungskomponenten des Motorbetriebsartenmanagers OMT und CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers OM sind im folgenden in den Figuren 3 und 4 durch Funktionsblöcke gekennzeichnet. Im Steuergerät ECU werden von den Steuer- und Regelungskomponenten des Motorbetriebsartenmanagers OMT und CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers OM im Einzelnen insbesondere folgende Steuerungs- und Regelungsschritte durchgeführt:
Der Motorbetriebsartenmanager OMT kontrolliert fortlaufend mittels seiner Kontrolleinheit Sl, ob für den aktuellen
Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl eine CAI-Motorbetriebsart bei der aktuell vorliegenden Zuführtemperatur TA des zur anteiligen Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2 überhaupt möglich ist. Der aktuelle Motorbetriebspunkt wird dabei insbesondere primär durch die aktuelle Drehzahl N der
Kurbelwelle des Ottomotors CE sowie durch das jeweilig an der Kurbelwelle bewirkte, mechanische Drehmoment TQ festgelegt. Zusätzlich gehen in die Festlegung des Motorbetriebspunkts ggf. auch noch das jeweilig indizierte Motordrehmoment TQI des jeweiligen Zylinders, die Temperatur TCO des Kühlmittels im Kühlkreislauf des Ottomotors, die Ansaugtemperatur TIA des Luftmassenstroms AMl, der eingangsseitig in das Saugrohr IM eingesaugt wird, und/oder weitere Motorkenngrößen mit ein. Derartige aktuelle Motorbetriebsparameter N, TQI, TQ, TCO, TIA, ... usw. sowie die ermittelte aktuelle Zuführtemperatur TA werden dem Betriebsartenmanager OMT im Funktionsblock S2 zur Auswertung bereitgestellt. Den Drehzahl- /Drehmomentwertepaaren innerhalb des erweiterten CAI- Betriebsart-Abdeckungsbereichs ECAI sind eine untere, minimale CAI-Temperaturgrenze TCmin und eine obere, maximale CAI-Temperaturgrenze TCmax zugeordnet. Zwischen der unteren, minimalen CAI-Temperaturgrenze TCmin und der oberen, maximalen CAI-Temperaturgrenze TCmax liegen also diejenigen erlaubten Zuführtemperaturen der jeweilig zu ladenden Frischluftmenge, die Drehzahl-/Drehmomentwertepaaren innerhalb des erweiterten, d.h. maximal möglichen CAI- Betriebsart-Bereichs ECAI zugeordnet werden können. Diese CAI-Temperaturgrenzen TCmin, TCmax sind für ein oder mehrere verschiedene erweiterte CAI-Motorbetriebsart-Maximalbereiche vorzugsweise in ein oder mehreren Kennfeldern für verschiedene Motorbetriebspunkte im Motorbetriebsartenmanager OMT abgelegt. Liegt die aktuelle Zuführtemperatur TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2 zwischen dieser oberen CAI-Temperaturgrenze TCmax und der unteren, minimalen CAI- Temperaturgrenze TCmin des erweiterten CAI-Betriebsart- Bereichs CAIl, was im Funktionsblock S3 von Figur 3 überprüft wird, so wird im Funktionsblock S4 durch den Betriebsartenmanager OMT entschieden, dass ein CAI- Motorbetrieb aufgrund der aktuellen Gastemperatur des zur Ladung bereitstehenden Frischluftmassenstroms AM2 möglich ist. Liegt hingegen die aktuelle Temperatur TA des zur zylinderanteiligen Ladung bereitstehenden
Frischluftmassenstroms AM2 außerhalb der Temperaturgrenzen TCmax, TCmin des erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs ECAI, so entscheidet der Betriebsartenmanager OMT im Funktionsblock S5, dass der CAI-Motorbetrieb verboten oder verlassen wird. Er wechselt daraufhin die Betriebsart des Ottomotors wie z.B. in den SI-Motorbetrieb oder den sogenannten „stratified"- Motorbetrieb, d.h. Schichtladebetrieb .
Die aktuelle Temperatur TA des zur zylinderanteiligen Ladung bereitstehenden, temperierten Frischluftmassenstroms AM2 lässt sich vorzugsweise mit Hilfe des Temperatursensors TS2 (siehe Figur 2) ermitteln. Alternativ dazu ist es auch möglich, über ein Temperaturmodell, das die Einlasstemperatur TIA des angesaugten Frischluftmassenstroms AMl, die mittels eines Luftmassensensors gemessene Luftmasse des in das Saugrohr IM eingangsseitig angesaugten Luftmassenstroms AMl, und die Aufwärmungs-/Kühlleistung der Aufwärmungs- /Kühleinheit HE als Eingangsparameter nutzt bzw. einbezieht, die aktuelle Temperatur TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftmassenstroms AM2 zu ermitteln. In der Figur 2 ist im Eingangsbereich des Saugrohrs IM beispielhaft ein Luftmassensensor AMS strichpunktiert eingezeichnet. Dieser übermittelt Messsignale für die jeweilig gemessene Luftmasse über eine Messleitung ML3 an das Steuergerät ECU. Die Messleitung ML3 ist in der Figur 2 ebenfalls strichpunktiert angedeutet . Hat der Motorbetriebsartenmanager OMT festgestellt, dass eine CAI-Motorbetriebsart für den aktuellen Motorbetriebspunkt möglich ist, wird im Funktionsblock S6 vom CAI-Betriebsart- Bereichsmanager OM überprüft, ob der CAI-Modus schon aktiv ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird in den CAI- Motorbetrieb gewechselt.
Im Funktionsblock SlO wird die maximale Kühl-/Heizleistung der Aufwärmungs-/Abkühlungseinheit HE, insbesondere des Wärmetauschers, ermittelt. Dabei werden Kenngrößen bzw. Faktoren, die in die Aufwärmungs-/Kühlungswirkung der Temperierungsvorrichtung TV eingehen, mittels des Funktionsblocks S9 berücksichtigt. Dies können beispielsweise die in das Saugrohr IM angesaugte Luftmasse MAF, die Ansaugtemperatur TIA des eingangsseitig angesaugten Luftmassenstroms AMl, die Kühlmitteltemperatur TCO im Kühlkreislauf des Ottomotors CE, der Stellwinkel Δα der Mischklappe, usw. ... sein. Mittels des Funktionsblocks S8 wird der aktuelle Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl durch
Auswertung verschiedener Motorbetriebsparameter bestimmt. Diese können beispielsweise die aktuelle Drehzahl N der Kurbelwelle des Ottomotors CE, das jeweilig an der Kurbelwelle bewirkte, mechanische Drehmoment TQ, das jeweilig indizierte Motordrehmoment TQI im jeweiligen Zylinder, das durch Verbrennung einer bestimmten zugemessenen Kraftstoff/Luftmenge bewirkt wird, die Temperatur TCO des Kühlmittels im Kühlkreislauf des Ottomotors, die Ansaugtemperatur TIA des Luftmassenstroms, der in das Saugrohr IM eingesaugt wird, die aktuell vorliegende Zuführtemperatur TA des zur Ladung bereitgestellten Frischluftstroms AM2, und/oder weitere Motorkenngrößen sein. Für den jeweiligen, aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl wird im Funktionsblock Sil berechnet, welche maximale Temperatur TRmax und welche minimale Temperatur TRmin sich aufgrund der maximalen Heiz-/Kühlleistung der Aufwärmungs- /Abkühlungseinheit HE ausgehend von der jeweiligen, momentan vorliegenden Zuführtemperatur TA des zur Ladung bereitgestellten Luftmassenstroms AM2 überhaupt einstellen lässt. Die maximale Aufheizungsleistung legt also eine obere Temperaturgrenze TRmax und die maximale Kühlleistung eine untere Temperaturgrenze TRmin fest, um die die aktuelle Temperatur TA des zu ladenden Frischluftstroms AM2 maximal erhöht oder maximal erniedrigt werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt wird durch die obere Temperaturgrenze TRmax und die untere Temperaturgrenze TRmin der maximal mögliche Aktionsbereich der Temperierung definiert. Im Funktionsblock Sil wird die maximale Absenkungstemperatur
TRmin und die maximale Anhebungstemperatur TRmax bestimmt, um die der zylinderanteilig zu ladende Frischluftmassenstrom AM2 bei gegebener maximaler Kühl- oder Heizleistung der Aufwärmungs-/Kühleinheit HE für den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl bei der vorliegenden
Zuführtemperatur TA abkühlbar oder aufheizbar ist. Die maximale Aufheizungsleistung der Temperierungsvorrichtung TV legt also eine obere Temperaturgrenze TRmax und die maximale Kühlleistung eine untere Temperaturgrenze TRmin fest, um die die aktuelle Temperatur TA des zu ladenden Anteils des
Frischluftstroms AM2 maximal erhöht oder maximal erniedrigt werden kann.
In einer Überprüfungsstufe S7 wird mit höchstem Vorrang bzw. höchster Priorität Priol - insbesondere mit Hilfe von abgespeicherten Kennfeldern - diejenige Zuführtemperatur TVO als Funktion f des aktuellen Motorbetriebspunkts wie z.B. OPl ermittelt, die zu einem Kraftstoffverbrauchsoptimum, d.h. zu einem Kraftstoffverbrauchsminimum, absolut betrachtet bezogen auf den Gesamtmotorbetriebsbereich EOA führt. Mittels des Funktionsblocks S12 des Regelungssystems CS wird dann überprüft, ob für den jeweilig vorliegenden Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl auf eine Soll- Zuführtemperatur TS=TVO eingeregelt werden kann, die für den aktuellen Motorbetriebspunkt innerhalb des
Gesamtmotorbetriebsbereichs EOA (siehe Figur 4) absolut betrachtet verbrauchsoptimal ist. Dazu wird im Funktionsblock S12 kontrolliert, ob für den aktuellen Motorbetriebspunkt diese verbrauchsoptimale Soll-Zuführtemperatur TVO überhaupt mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Heiz-/Kühlleistung der Temperierungsvorrichtung TV, insbesondere deren Aufwärmungs- /Kühleinheit HE, ausgehend von der jeweils aktuell vorliegenden Zuführtemperatur TA des zur anteiligen Ladung bereitstehenden Frischluftmassenstroms AM2 bei den momentan vorliegenden Temperierungsverhältnissen im Luftansaugtrakt IS des Ottomotors CE für den aktuellen CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAIl oder CAI2 einstellbar ist. Dabei wird im Funktionsblock S12 analysiert, ob die verbrauchsoptimale
Temperatur TVO innerhalb der Temperaturgrenzen TVmin, TVmax für den aktuell vorliegenden CAI-Betriebsart- Bereich wie z.B. CAIl oder CAI2 des Ottomotors liegt, die dessen Drehzahl-/Drehmomentwertepaaren zugeordnet sind. Ist dies der Fall, so wird die verbrauchsoptimale Temperatur TVO im Funktionsblock S17 als Soll-Zuführtemperatur TS=TVO herangezogen, auf die das Regelungssystem CS unter Bildung einer Regelabweichungsgröße ΔT einregelt. Diese wird mittels einer logischen Subtrahiereinheit S18 aus der Differenz zwischen der aktuellen Zuführtemperatur TA des zur anteiligen Ladung bereitstehenden Frischluftstroms AM2 und der jeweilig ermittelten Soll-Zuführtemperatur TS für den jeweiligen CAI- Betriebsart-Bereich im Funktionsblock S19 gebildet. Allgemein betrachtet wird also durch das Regelungssystem CS eine SoIl- Temperaturdifferenz ΔT nach der mathematischen Beziehung ΔT=TA-TS ermittelt und im Funktionsblock S19 als Regelabweichungsgröße der Temperierungsvorrichtung TV zur Verfügung gestellt, um durch Erwärmung oder Abkühlung die aktuelle Zuführtemperatur TA des zur Ladung bereitstehenden Frischluftstroms AM2 auf die gewünschte Soll-Zuführtemperatur TS einzuregeln. Hier im Ausführungsbeispiel wird aufgrund der Soll-Temperaturdifferenz ΔT die Mischklappe MV (siehe Figur 2) derart verstellt, d.h. deren Stellwinkel Δα derart verändert, dass die Zuführtemperatur TA des zu ladenden Frischluftstroms AM2 im wesentlichen auf die jeweilig gewünschte Soll-Zuführtemperatur TS gebracht wird. Ist die (bezogen auf den Gesamtmotorbetriebsbereich EOA) absolut verbrauchsoptimale Temperatur TVO für den aktuell vorliegenden Motorbetriebspunkt und den aktuell gegebenen Temperierungsverhältnissen des Luftansaugtrakts IS nicht einstellbar, so wird mit sekundärer Priorität Prio2 im Funktionsblock S13 diejenige Zuführtemperatur TA=TVR ermittelt, die für den aktuell vorliegenden CAI- Betriebsbereich wie z.B. CAIl bezogen auf dessen zugeordnete Temperaturgrenzen TVmin, TVmax ein relatives, lokales Verbrauchsminimum ermöglicht. Dazu wird mit Hilfe des CAI- Betriebsart-Managers OM analysiert, welcher maximale CAI- Aktionsbereich der Temperierung mit Hilfe der aktuell verfügbaren Heiz-/Abkühlungsleistung der Aufwärmungs- /Abkühlungseinheit HE für den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl und der vorliegenden Zuführtemperatur TA sowie den sonstigen Temperierungsverhältnissen im Luftansaugtrakt möglich, d.h. bewirkbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass eingegrenzt wird, welcher verschobene CAI- Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 sich aufgrund der aktuell verfügbaren Temperaturanhebung und -absenkung für den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl einstellen lässt. Der Motordrehzahl/Drehmomentfläche, die vom jeweilig bewirkbaren CAI-Aktionsbereich wie z.B. CAI2 abgedeckt wird, ist z.B. aufgrund abgespeicherter Kennfelder die untere CAI- Betriebsart-Bereichs-Temperaturgrenze TVmin sowie die obere CAI-Betriebsart-Bereichs-Temperaturgrenze TVmax zuordenbar. Diese legen in eindeutiger Weise fest, in welchem Temperaturbereich die Zuführtemperatur TA einzustellen ist, um einen CAI-Betriebsmodus für den aktuellen Motorbetriebspunkt zu ermöglichen. Die Temperaturgrenzen TVmin, TVmax des jeweiligen, ursprünglich motortechnisch vorgegebenen CAI-Betriebsart- Basisbereichs wie z.B. CAIl oder verschobenen bzw. veränderten CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 werden im Funktionsblock S13 mit bestimmt. Im Funktionsblock S13 findet das Regelungssystem CS also heraus, welche minimale und maximale Zuführtemperatur TVmin, TVmax den Drehzahl-/Drehmomentpaaren N/TQ innerhalb des ursprünglich gegebenen CAI-Betriebsart-Bereichs CAIl oder des jeweilig verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 zuordenbar sind. Diese bilden eine untere und eine obere relative Temperaturgrenze TVmin, TRmax bezogen auf den jeweilig vorliegenden CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAIl oder CAI2. Aus dem Bereich zwischen dieser unteren und oberen Temperaturgrenze TVmin, TVmax wird dann diejenige Temperatur TVR eruiert, bei der sich bezogen auf den vorliegenden CAI- Motorbetriebspunkt ein relatives Kraftstoffverbrauchsminimum ergibt .
Entsprechend dem zweiten Ablaufpfad mit der niedrigeren Priorität Prio2 wird vom Regelungssystem CS im Funktionsblock S17 die neue Soll-Zuführtemperatur TS auf diese Temperatur TVR mit dem relativen, lokalen Verbrauchsminimum für den aktuell ermöglichten CAI-Betriebsart-Bereich gesetzt. Es gilt jetzt also TS=TVR. Auf diese neue Soll- Zuführtemperatur TS=TVR wird mittels der Schritte der Funktionsblöcke S18, S19, S20 die Temperatur des zu ladenden Frischluftstroms AM2 durch die Temperierungsvorrichtung TV entsprechend der zuvor erläuterten Weise eingeregelt.
Allgemein ausgedrückt kann es bereits ausreichend sein, dass aus der Gesamtmenge von CAI-Betriebsart- Bereichen, die mit der vorliegenden Temperierungsleistung der Temperierungsvorrichtung einstellbar sind, ein solcher ausgewählt wird, der für den aktuellen Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl den ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereich CAIl innerhalb des erweiterten CAI-Betriebsart-Bereich ECAI derart verschiebt, dass ein verschobener CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 resultiert, innerhalb dem dem aktuellen
Motorbetriebspunkt wie z.B. OPl des Ottomotors CE gegenüber dem ursprünglichen CAI- Betriebsart-Basisbereich CAIl eine Soll-Zuführtemperatur TA zuordenbar ist, mit der für den aktuellen Motorbetriebspunkt OPl ein verringerter Kraftstoffverbrauch des Ottomotors CE bewirkt wird. Für diesen werden dann die Prozessschritte der Funktionsblöcke S17, S18, S19, S20 in analoger Weise wie oben beschrieben durchgeführt . Alternativ zur Ermittlung der Soll- Zuführtemperatur TVR im Funktionsblock S13, die ein relatives
KraftstoffVerbrauchsminimum nach sich zieht, kann es ggf. zweckmäßig sein, in einem dritten Ablaufpfad mit der rangniedrigsten Priorität Prio3 für den jeweilig einstellbaren CAI-Betriebsart-Bereich wie z.B. CAI2 eine Mittentemperatur TMIT für dessen aufgespannte Drehzahl- /Drehmomentflache zu ermitteln. Die Mittentemperatur TMIT ist dabei diejenige Temperatur, die demjenigen Drehzahl-
/Drehmomentwertepaar zugeordnet ist, für das sie einen möglichst großen Abstand zu der unteren sowie oberen Temperaturgrenze TVmin, TVmax des jeweilig einstellbaren CAI- Betriebsbereichs wie z.B. CAI2 aufweist. Die Mittentemperatur TMIT entspricht insbesondere im Wesentlichen dem
Flächenschwerpunkt oder Zentrum des möglichen Aktionsbereichs der Temperierung im jeweilig einstellbaren CAI- Betriebsbereich . Wird im Funktionsblock S12 festgestellt, dass die verbrauchsoptimale Soll-Zuführtemperatur TVO außerhalb der CAI-Temperaturgrenzen TVmin, TVmax des jeweilig einstellbaren CAI-Betriebsart-Bereichs wie z.B. CAI2 liegt, so wird im Funktionsblock S17 als Soll-Zuführtemperatur TS die im Funktionsblock S16 ermittelte CAI-Mittentemperatur TVMIT herangezogen, auf die das Regelsystem CS einregelt. Auf diese Weise ergibt sich auch dann schon eine
Kraftstoffeinsparung, wenn es nicht möglich ist, weder die absolut verbrauchsoptimale Soll-Zuführtemperatur TVO noch die relativ verbrauchsminimale Soll-Zuführtemperatur TVR innerhalb der zugeordneten CAI-Zuführtemperaturgrenzen TVmin, TVmax des jeweiligen CAI-Aktionsbereichs einzustellen.
Zeigt eine Fahrprofilanalyse, die mittels des Funktionsblocks S14 symbolisiert ist, dass aufgrund des Fahrverhaltens des Fahrers eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor- wie z.B. bei einem „nervösen Gasfuß" oder „Pumpen" des Gaspedals - die verbrauchsoptimale Strategie des Ablaufpfads mit der Priorität Priol übermäßig oft verlassen und wieder angefahren wird, was im Funktionsblock S15 registriert wird, wird zweckmäßigerweise von der absolut verbrauchsoptimalen oder relativ verbrauchsminimalen Strategie abgewichen und an Stelle dessen in diese Mittenstrategie mit Hilfe des Funktionsblocks S16 gewechselt. Dazu wird vorzugsweise die mittlere darstellbare Temperatur eingestellt. Sie definiert sich insbesondere als diejenige Temperatur, bei der eine Flächengewichtung nach Last und Drehzahl einen möglich großen Abstand zur jeweiligen CAI-Aktionsgrenze des jeweilig einstellbaren CAI-Betriebsart-Bereichs zulässt.
Weiterhin kann es ggf. zweckmäßig sein, neben einer Flächengewichtung, insbesondere Flächenschwerpunktbildung, die Stellstreckeneigenschaften des Temperierungssystems bei der Temperaturregelung zu berücksichtigen. Damit fließen weitere Kriterien wie zum Beispiel die
Temperaturverstellgeschwindigkeit bei der Temperaturregelung mit ein. Die Mittentemperatur ist zwar nicht mehr verbrauchsminimal, in Summe erzielt man jedoch einen Vorteil, da der CAI-Motorbetrieb konstant aufrechterhalten werden kann und nicht permanent zwischen verschiedenen Betriebsarten wie zum Beispiel SI-Motorbetriebsart und CAI-Betriebsart gewechselt wird. Grund dafür ist, das sich durch die Temperierung des zu ladenden Frischluftmassestroms der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsbereich im Rahmen der maximalen Kühl-/Heizleistung der Aufwärmungs-/Kühleinheit verschieben lässt. Es ergibt sich somit der erweiterte CAI- Bereich ECAI. Dieser ist in der Figur 4 in der unteren Bildhälfte dargestellt. Dieser erweiterte CAI-Betriebsbereich ECAI bildet einen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI- Betriebsbereich CAIl vergrößerten Betriebsbereich. Im restlichen Motorbetriebsbereich SIB kann zum Beispiel der SI- Motorbetriebmodus durchgeführt werden.
In der oberen Bildhälfte von Figur 4 ist in schematischer Darstellung zusammengefasst, wie der Betriebsbereichsmanager OM als Teil des Betriebsartenmanagers OMT arbeitet. Wird im Schritt COP ein Betriebspunktwechsel des Ottomotors erzwungen oder ist er notwendig wie zum Beispiel aufgrund eines Gangwechsels, so wird der aktuelle Lastpunkt, d.h. die aktuelle Drehzahl N sowie das aktuelle Drehmoment TQ des Ottomotors ermittelt. Dazu wird mit Hilfe einer Plausibilisierung aus Leistungsbedarf und Momentangeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs im Funktionsblock PL ermittelt, ob das Fahrzeug eine Steigung oder ein Gefälle befährt. Im Funktionsblock UDG wird die zugehörige Steigung oder das Gefälle berechnet. Aufgrund einer Fahrwiderstandskurve DRG kann dann aufgrund der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit das Drehmoment bestimmt werden, das an der Kurbelwelle des Ottomotors momentan wirksam ist. Für diesen aktuelle Last des Ottomotors ermittelt dann der Motorbetriebsartenmanager OMT, ob überhaupt ein optimierter, erweiterter CAI-Betrieb CAIM möglich ist, oder ob der Ottomotor im SI-Betrieb SIM betrieben werden soll. Ist ein CAI-Betrieb möglich, so wird nach dem erfindungsgemäßen Prinzip eine Optimierung, insbesondere Erweiterung, des CAI- Betriebsmodus vorgenommen. Dazu werden aktuelle Betriebsparameter IMP des Luftansaugtakts, wie zum Ansauglufttemperatur, Mischtemperatur des zuladenden Frischluftmassenstroms, Kühlmitteltemperatur, Wärmeübertragung des Wärmetauschers, usw. ermittelt und dem CAI-Betriebsart-Bereichsmanager OM zugeführt. Weiterhin werden ggf. Parameter über das Stellstreckenmodell der Luftgemischtemperierung, die insbesondere durch Kennparameter der Ansaugluftstrecke, dem Wärmeübertragungskoeffizienten des Wärmetauschers, der Mischklappenstellung, usw. gebildet sein können, dem CAI-Betriebsart-Bereichsmanager OM zur Auswertung und Optimierung zur Einstellung einer optimalen SoIl- Zuführtemperatur TA für den erweiterten CAI-Betrieb CAIM zur Verfügung gestellt.
Auf diese Weise ist es ermöglicht, den Motorbetriebsbereich, in dem der CAI-Modus dargestellt werden kann, auf einfache und effiziente Weise zu erweitern. Die Vorteile der CAI- Betriebsart, insbesondere im Wesentlichen der günstige Kraftstoffverbrauch und geringe NOx- Emissionen, kommen somit deutlich stärker zum Tragen. Mit anderen Worten ausgedrückt, heißt das, dass der CAI-Betrieb durch eine etwaige Verschiebung aufgrund von gezielter Temperierung des zugeführten Frischluftmassenstroms auf Drehmomente und/oder Drehzahlen außerhalb der Grenzen des ursprünglichen, motorentechnisch bedingten CAI-Betriebsart-Basisbereichs - wie hier z.B. CAIl - erweitert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Einstellung des CAI-Betriebsart-Bereichs (CAIl) eines Ottomotors (CE), indem die Zuführtemperatur (TA) des Frischluftstroms (AM2), von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum (CCl) des jeweiligen Zylinders (CYl) des Ottomotors (CE) geladen wird, vor dem Einlassen in den Brennraum (CCl) mittels einer Temperierungsvorrichtung (TV) im Luftansaugtrakt (IS) des Ottomotors (CE) derart variiert wird, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) des Ottomotors (CE) ein veränderter CAI-Betriebsart-Bereich (CAI2) erzeugt wird, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI- Betriebsart-Basisbereich (CAIl) des Ottomotors (CE) innerhalb eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs (ECAI) verschoben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Temperierungsvorrichtung (TV) ein Wärmetauscher (HE) , insbesondere ein für den Ottomotor (CE) bereits vorhandener Luft-Kühlmittel- oder Luft-Motoröl-Wärmetauscher, verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Teilstrom (AM12) des in das Saugrohr (IM) des Ottomotors (CE) angesaugten Frischluftgesamtstroms (AMl) in eine Bypass-Leitung (BP) des Luftansaugtrakts (IS) abgezweigt wird, dort mittels der Temperierungsvorrichtung (TV) erwärmt oder abgekühlt wird, und mittels einer Mischklappe (MV) im Austrittsbereich der Bypass-Leitung (BP) mit einem im Saugrohr (IM) untemperiert weiterströmenden Reststrom (AMIl) des angesaugten Frischluftgesamtstroms (AMl) zur Einstellung der Zuführtemperatur (TA) des Frischluftstroms (AM2), von dem ein Anteil in den Brennraum (CCl) des jeweiligen Zylinders (CYl) des Ottomotors (CE) geladen wird, gemischt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Variation der Zuführtemperatur (TA) des zur anteiligen Ladung bereitgestellten Frischluftstroms (AM2) im Steuergerät (ECU) des Ottomotors (CE) mit Hilfe des Regelungssystems (CS) eines CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers (OM) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der CAI-Betriebsart-Bereichsmanager (OM) als Komponente eines Motorbetriebsartenmanagers (OMT) im Steuergerät (ECU) betrieben wird, mit dessen Hilfe der Wechsel zwischen der CAI-Betriebsart und mindestens einer weiteren, davon verschiedenen Motorbetriebsart des Ottomotors (CE) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mit Hilfe der Temperierung des zur anteiligen Ladung bereitgestellten Frischluftstroms (AM2) durch das Regelungssystem (CS) des CAI-Betriebsart-Bereichsmanagers (OM) für den aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) der ursprünglich gegebene CAI-Betriebsart-Basisbereich (CAIl) des Ottomotors (CE) innerhalb des erweiterten CAI-Betriebsart- Maximalbereichs (ECAI) derart verschoben wird, dass ein verschobener CAI-Betriebsart-Bereich (CAI2) resultiert, innerhalb dem dem aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) des Ottomotors (CE) eine Zuführtemperatur (TA) zuordenbar ist, mit der gegenüber dessen Lage im ursprünglichen CAI- Betriebsart-Basisbereich (CAIl) betrachtet eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des Ottomotors (CE) bewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 mit 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels des Regelungssystems (CS) des CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers (OM) die Temperierung des anteilig zu ladenden Frischluftstroms (AM2) auf eine derartig absolut verbrauchsoptimale Zuführtemperatur (TVO) eingeregelt wird, dass für den jeweilig aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) im ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereich (CAIl) oder im verschobenen CAI-Betriebsart-Bereich (CAI2) bezogen auf den Gesamtmotorbetriebsbereich (EOA) ein absolutes Kraftstoffverbrauchsminimum bewirkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels mindestens einer Kontrolleinheit (S12) des Regelungssystems (CS) überprüft wird, ob die maximal verfügbare Heiz-/Kühlleistung der Temperierungsvorrichtung (TV) ausreicht, die verbrauchsoptimale Zuführtemperatur (TVO) für den aktuell vorliegenden CAI-Betriebsart-Bereich (CAIl, CAI2) einzustellen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 mit 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels des Regelungssystems (CS) des CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers (OM) die Temperierung des anteilig zu ladenden Frischluftstroms (AM2) auf eine relativ verbrauchsoptimale Zuführtemperatur (TVR) eingeregelt wird, die innerhalb der Temperaturgrenzen (TVmin, TVmax) des ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereichs (CAIl) oder verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs (CAI2) für den aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) ein lokales KraftstoffVerbrauchsminimum des Ottomotors (CE) bewirkt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 mit 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels des Regelungssystems (CS) des CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers (OM) die Temperierung des anteilig zu ladenden Frischluftstroms (AM2) auf eine mittlere Zuführtemperatur (TMIT) für den zu ladenden Frischluftstrom (AM2) eingeregelt wird, die im wesentlichen der Flächenmitte des ursprünglichen CAI-Betriebsart-Basisbereichs (CAIl) oder des verschobenen CAI-Betriebsart-Bereichs (CAI2) zugeordnet ist .
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch das Regelungssystem (CS) bei der Einregelung auf die mittlere Zuführtemperatur (TMIT) zusätzliche Parameter über Stellstreckeneigenschaften des Luftansaugtrakts (IS) des Ottomotors (CE) und/oder der Temperierungsvorrichtung (TV) einbezogen werden.
12. Steuergerät (ECU) für einen Ottomotor (CE) zum Einstellen dessen CAI-Betriebsart-Bereichs (CAIl), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Regelungssystem (CS) eines CAI-Betriebsart- Bereichsmanagers (OM) zur Regelung einer
Temperierungsvorrichtung (TV), die im Luftansaugtrakt (IS) des Ottomotors (CE) angeordnet ist, wobei das Regelungssystem (CS) derart auf die Temperierungsvorrichtung (TV) einwirkt, dass die Zuführtemperatur (TA) des Frischluftstroms (AM2), von dem jeweilig ein Anteil in den Brennraum (CCl) des jeweiligen Zylinders (CYl) des Ottomotors (CE) geladen wird, vor dem Einlassen in den Brennraum (CCl) so variierbar ist, dass für den aktuellen Motorbetriebspunkt (OPl) des Ottomotors (CE) ein veränderter CAI-Betriebsart-Bereich
(CAI2) erzeugbar ist, der hinsichtlich Drehzahl- und/oder Drehmomentgrenzen gegenüber dem ursprünglich gegebenen CAI- Betriebsart-Basisbereich (CAIl) des Ottomotors (CE) innerhalb eines erweiterten CAI-Betriebsart-Maximalbereichs (ECAI) verschoben ist.
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