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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
für Kraftfahrzeuge, bei
dem zur Aufheizung eines Katalysators vorgesehen ist, dass zwischen
einem homogenen Betriebszustand mit einmaliger und einem Betriebszustand mit
aufgeteilter Einspritzung von Kraftstoff auf mindestens zwei Einspritzzeitpunkte
in einem Brennraum der Brennkraftmaschine umgeschaltet wird, wobei
bei aufgeteilter Einspritzung beide Einspritzzeitpunkte vor einer
Zündung
eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liegen.
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Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 101 00 682.9 bekannt, in der ein
Verfahren beschrieben wird, zur Aufheizung eines Katalysators bei
Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung mit den Schritten:
- – Verstellen
der Zündung
nach "spät",
- – Prüfen, ob
die Füllung
der Zylinder mit Luft eine vorgegebene Schwelle überschreitet,
- – Aufteilung
der Kraftstoff-Einspritzung auf zwei Teilmengen, die vor der Zündung eingespritzt
werden, wenn die Luftfüllung
die Schwelle überschreitet.
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Darüber hinaus
ist aus der
DE 199
48 073 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
für Kraftfahrzeuge
mit einem Katalysator bekannt, um den Katalysator aufzuheizen. Dabei
soll ein stöchiometrisches
Luft-/Treibstoffverhältnis
bei einer homogenen Verbrennung eingestellt werden. Weiterhin beschreibt
die
DE 199 48 073
A1 einen Schichtbetrieb, bei dem erst im Verdichtungshub
eingespritzt wird, sowie eine Konfiguration, bei der, wenn die Motorlast
zum Zeitpunkt des Übergangs
vom Schichtbetrieb in den Homogenbetrieb einen bestimmten Wert einnimmt,
zunächst
Zwischenverbrennungssteuerungen vorgenommen werden.
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Des
Weiteren ist ein Verfahren zum Aufheizen eine Katalysators, bei
dem eine zusätzliche
Einspritzung nach einer Verbrennung in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz
durchgeführt
wird, aus der
DE 100
06 609 A1 bekannt.
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Die
DE 199 63 930 A1 schreibt
ein Verfahren, bei dem in einem Betriebspunkt mit einer niedrigen
Abgastemperatur zumindest eine zusätzliche Einspritzung nach der
Verbrennung durchgeführt wird.
Schließlich
offenbart die
DE 199
30 086 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei
dem während
einer zweiten Betriebsart während einer
Verdichtungsphase von einem Einspritzventil in einen Brennraum eingespritzt
und das Gemisch von der Zündkerze
entzündet
wird, wobei zum Zwecke des Regenerierens eines Speicherkatalysators
eine zusätzliche
Späteinspritzung
von Kraftstoff in den Brennraum durchgeführt wird.
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Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotor benötigen
zur Abgasreinigung Katalysatoren im Abgastrakt. Diese Katalysatoren
müssen
nach einem Kaltstart möglichst
schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden, so dass Mittel zur
Aufheizung vorgesehen werden. Beispielsweise kann der Katalysator nach
Kaltstart durch hohe Abgastemperaturen aufgeheizt werden. Dieses
sogenannte "motorische
Katheizen" hat den
Vorzug, ohne zusätzliche
Komponenten auszukommen.
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Bei
Verbrennungsmotoren kann prinzipiell die Abgastemperatur erhöht werden,
indem der Wirkungsgrad der Verbrennung verschlechtert wird. Eine Wirkungsgradverschlechterung
der motorischen Verbrennung kann beispielsweise durch eine Abweichung
des Zündzeitpunktes
vom optimalen Zeitpunkt herbeigeführt werden, wobei der optimale
Zeitpunkt durch den maximalen Wirkungsgrad definiert wird. Durch
die Wirkungsgradeinbuße
ist das Abgas heißer
im Vergleich zum Betrieb ohne Wirkungsgradeinbuße. Es entfaltet daher eine
verstärkte
Heizwirkung im Katalysator.
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Für Motoren
mit Benzin-Direkteinspritzung existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten,
die Abgastemperatur zu erhöhen,
ohne zusätzliche
Komponenten zu verbauen:
- 1. Späte Zündung zur
Verschlechterung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Das gezündete Gemisch
ist dabei stöchiometrisch
oder leicht mager.
- 2. Zusätzliche
Einspritzung von Kraftstoff nach Zündung zur Nachverbrennung.
Das gezündete Gemisch
ist dabei sehr mager (Schichtbetrieb).
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Durch
die ansteigende Laufunruhe ist bei homogenem Gemisch die Spätzündung begrenzt.
Bei tiefen Katalysatortemperaturen können die Emissionen darüber hinaus
durch leicht mageres Abgaslambda verbessert werden. Eine Abmagerung
ist bei kaltem Motor aber nur eingeschränkt möglich.
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Wird
zur Katalysatoraufheizung eine Nacheinspritzung vorgesehen, muss
das Durchbrennen der zusätzlichen
Kraftstoffmasse gewährleistet
sein. Um eine sichere und vollständige
Verbrennung im Abgaskrümmer
zu gewährleisten,
muss dieser in seiner Bauform optimiert werden hinsichtlich Durchmischung
und geringer thermischer Masse. Andere Ziele wie Verringerung des
Einbauraums und Leistungsoptimierung können dadurch eingeschränkt werden. Prinzipiell
wird die Nachreaktion bei kaltem Abgaskrümmer schlechter ablaufen. Es
können
daher hier die Emissionen kurz nach dem Start kaum verringert werden.
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Da
im Brennraum höhere
Temperaturen herrschen, können
bei einer Nachverbrennung im Brennraum bereits kurz nach Start geringe
Emissionen erreicht werden. Soll der Kraftstoff noch im Brennraum
zünden,
so müssen
die Betriebsparameter in einem engen Fenster gehalten werden. Insbesondere
muss die Einspritzung sehr früh
angesetzt werden und trägt
daher deutlich zur Momententwicklung bei. Dies setzt für kleine
Lastpunkte sehr kurze Einspritzzeiten voraus, was sehr hohe Ansprüche an die
Einspritzventile impliziert.
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Durch
die Aufteilung der Einspritzung vor Zündung ändert sich die Gemischaufbereitung. Durch
diesen Gemischtyp kann daher der Motorlauf verbessert werden. Es
ist grundsätzlich
bei einem schlechteren Wirkungsgrad und damit einem späteren Zündzeitpunkt
und einer höheren
Abgastemperatur eine bessere Laufruhe erzielbar und das Gemisch kann
früher
nach dem Start stärker
abgemagert werden als bei einem homogenen Gemisch durch einfache
Einspritzung. Dadurch entstehen geringere Emissionen.
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Allerdings
ist die Genauigkeit von Einspritzventilen bei kleinen Mengen sehr
schlecht. Es ist daher eine Aufteilung der Einspritzung für kleinere
Luftfüllungen
nicht möglich.
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Um
einen sicheren Start und Hochlauf des Motors, also der Brennkraftmaschine,
zu gewährleisten,
kann für
diese Phase noch eine einfache homogene Einspritzung notwendig sein.
Eine Aufteilung der Einspritzung erfolgt dann erst, wenn ausreichend Luftfüllung vorhanden
ist. Hierdurch werden zu kurze Einspritzzeiten vermieden, die zu
einer ungenauen Kraftstoff-Zumessung führen würden.
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Durch
die Aufteilung der Einspritzung entsteht eine Gemischschichtung.
Dadurch kann an der Zündkerze
ein eher fettes Gemisch anliegen, wobei das Summenlambda noch mager
ist. Durch das fette Gemisch um die Kerze kann ein sicheres Zünden auch
bei magerem Summenlambda sichergestellt werden. Zusätzlich kann
trotz später
Zündung
ein sicheres, schnelles Anbrennen des Gemischs gewährleistet
werden, wodurch sich die Laufruhe bei später Zündung verbessert.
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Da
sich bei geteilter, vor der Zündung
erfolgter Einspritzung eine andere Gemischverteilung einstellt,
fett in der Brennraummitte und mager an der Brennraumwand, kann
der Wandwärmeverlust
verringert werden. Abhängig
von Brennraumform und den Parametern kann das folgende Auswirkungen haben:
- (i) eine höherer
Abgastemperatur bei gleicher Abgasmenge und daher mehr Heizleistung
für den Katalysator,
- (ii) eine geringe Abgasmenge bei gleicher Temperatur, da die
Wandwärmeverluste
geringer sind, wodurch die Verweilzeiten der Schadstoffkomponenten
im Krümmer
und Katalysator länger
werden und eine Nachreaktion gefördert
wird. Die Emissionen nach Katalysator können also auch hierdurch verbessert
werden.
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Grundsätzlich muss
mindestens einmal in der Startphase von der einfachen homogenen
Einspritzung (Start und Hochlauf) zur aufgeteilten Einspritzung
(Aufheizen des Katalysators) und zurück umgeschaltet werden. Da
das Verhältnis
bei der Einspritzmenge nicht oder nur wenig variiert werden kann,
muss hart zwischen diesen beiden Gemischtypen umgeschaltet werden.
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Hierbei
kann es dazu kommen, dass der Fahrer die Umschaltung, die einen
Momentensprung beeinhalten kann, als Ruck im Fahrzeug wahrnimmt. Die
Momentenentwicklung ist aufgrund des unterschiedlichen Gemischtyps
und der anderen Verbrennungsgeschwindigkeit bei einfacher homogener
Einspritzung und aufgeteilter Einspritzung stark unterschiedlich.
Daher muss mit der Umschaltung der Zündzeitpunkt sprunghaft verschoben
und die Luftfüllung
schnell geändert
werden. Auch wenn die Momentenentwicklung für diese Änderung genau moduliert werden
kann, entstehen durch Toleranzen von Sensoren und Aktuatoren Ungenauigkeiten,
beispielsweise durch die ungenaue Erfassung der Luftfüllung und
des Kurbelwinkels.
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Darüber hinaus
bestehen noch Ungenauigkeiten der Kraftstoffzumessung, da einmal
zwei kurze Einspritzzeiten gegenüber
einer langen Einspritzzeit gegeben sind. Hierdurch kann es zusätzlich zu Lambda-Abweichungen
kommen, wobei dieses Problem lediglich durch genauere Einspritzventile
behoben werden kann.
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Die
Erfindung stellt nun ein Verfahren bereit, bei dem eine ruckartige Änderung
der Einstellparameter und damit auch des Drehmomentes verringert werden
kann, bei gleichzeitig verbesserter Aufheizung des Katalysators.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein zuvor beschriebenes Verfahren, bei dem beim
Umschaltvorgang vom homogenen Betriebszustand auf den Betriebszustand
mit aufgeteilter Einspritzung der erste Einspritzzeitpunkt im wesentlichen
dem Einspritzzeitpunkt des homogenen Betriebszustandes entspricht
und der zweite Einspritzzeitpunkt der aufgeteilten Einspritzung
zunächst
so früh
erfolgt, dass das hierbei entstehende Gemisch annähernd einem homogenen
Gemisch entspricht und nach der erfolgten Umschaltung der zweite
Einspritzzeitpunkt nach spät
verschoben wird, bis eine vorgegebene Gemischaufbereitung vorliegt,
und wobei bei einer Umschaltung vom Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung zum homogenen Betriebszustand die Verschiebung des
zweiten Einspritzzeitpunktes umgekehrt, d. h. in Richtung des ersten
Einspritzzeitpunktes erfolgt.
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Auf
diese Weise kann die Gemischaufbereitung derart umgeschaltet werden,
dass die Momentenentwicklung von homogener und aufgeteilter Einspritzung
noch ähnlich
ist. Dadurch können
eventuelle Ungenauigkeiten nicht mehr zu einem spürbaren Momentensprung
führen.
Erst nach der Umschaltung wird die aufgeteilte Einspritzung kontinuierlich
verändert,
bis die gewünschte
Gemischaufbereitung erreicht ist.
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Die
Verschiebung kann dabei kontinuierlich oder schrittweise erfolgen,
wobei die einzelnen diskreten Abschnitte jeweils so gewählt sein
sollten, dass kein Momentensprung für den Fahrer spürbar ist.
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Das
Optimale ist hierbei die kontinuierliche Verschiebung.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm, ein Steuer- und Regelgerät sowie
eine Brennkraftmaschine gelöst,
gemäß den Ansprüchen.
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Dadurch,
dass der zweite Einspritzzeitpunkt unmittelbar nach dem Umschalten
dicht beim ersten Einspritzzeitpunkt liegt, entspricht das Gemisch
kurz nach dem Umschalten auf einen Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung annäherungsweise
einem homogenen Gemisch mit einzelner Einspritzung. Da die Umschaltung
zwischen einfacher homogener und aufgeteilter Einspritzung immer
mit einer zweiten Einspritzung erfolgt, die sehr früh liegt,
also nahe bei der ersten Einspritzung, müssen Zündzeitpunkt und Luftfüllung unmittelbar
nach der Umschaltung nur minimal angepasst werden. Nach der Umschaltung
zur aufgeteilten Einspritzung wird dann der zweite Einspritzzeitpunkt
nach spät
verschoben, zum eigentlichen Sollwert. Hierbei erfolgt eine Anpassung
der Luftfüllmenge
und im umgekehrten Fall erfolgt vor dem Zurückschalten wiederum eine Anpassung
der Luftfüllmenge.
So wird in der Regel die Luftfüllmenge bei
der Umschaltung auf einen Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung
angehoben werden. Außerdem
kann dabei eine Anpassung des Zündzeitpunktes
notwendig werden.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem vor dem Umschalten
geprüft
wird, ob die Luftfüllmenge
in der Brennkammer einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Dies ist insofern
notwendig, da die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung erst ab gewissen
Einspritzmengen sicher gegeben ist. Bei der Aufteilung der Einspritzung
wird die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung verändert, da nun zwei kurze Einspritzzeiten
gegenüber
einer langen Einspritzzeit vorliegen. Insofern ist es notwendig, dass
zumindest mittlere Luftfüllungen
vorliegen, wobei hierbei beide Kraftstoffmengen ungefähr gleich groß sein müssen. Erst
wenn große
Luftfüllungen
erreicht werden, kann die erste Einspritzmenge gegenüber der
zweiten Einspritzmenge bei der aufgeteilten Einspritzung variiert
werden.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass die Verschiebung des zweiten
Einspritzzeitpunktes kontinuierlich oder in mehreren separaten diskreten Schritten
erfolgt. Insbesondere eine kontinuierliche Verstellung mit einer
kontinuierlichen Verstellung des Zündzeitpunktes sowie der Luftfüllmenge
ist besonders bevorzugt.
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Es
kann des weiteren vorgesehen sein, dass nach der Umschaltung vom
homogenen Betriebszustand in den Betriebszustand mit aufgeteilter
Einspritzung und/oder vor dem Zurückschalten bei der Verschiebung
des zweiten Einspritzzeitpunktes der Zündzeitpunkt verschoben wird,
um den Wirkungsgrad zu verändern.
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Insbesondere
ist bei einer aufgeteilten Einspritzung ein späterer Zündzeitpunkt möglich, wodurch
ein schlechterer Wirkungsgrad erzielbar ist, der auf der anderen
Seite zu einer besseren Aufheizung des Katalysators führt. Trotz
des schlechteren Wirkungsgrades aufgrund des späteren Zündzeitpunkts ist die Laufruhe
bei einem Betrieb mit aufgeteilter Einspritzung jedoch verbessert.
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Schließlich umfasst
die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens, wenn
es auf einem Computer ausgeführt
wird. Das Computerprogramm kann dabei insbesondere auf einem Speicher,
insbesondere einem Flash-Memory, abgespeichert sein.
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Des
weiteren umfasst die Erfindung ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine, das einen Speicher umfasst, auf dem ein
Computerprogramm, wie es vorstehend beschrieben ist, abgespeichert
ist. Ein derartiges Steuer- und Regelgerät dient zur Steuerung sämtlicher
Vorgänge im
Motor, wie beispielsweise Zumessung der jeweiligen Einspritzmengen,
Einstellung der Zündzeitpunkte,
Zumessung der entsprechenden Luftmengen etc.
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Schließlich umfasst
die Erfindung noch eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum,
mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, über welche
der Kraftstoff in den Brennraum gelangt, wobei die Brennkraftmaschine
ein Steuer- und/oder
Regelgerät
umfasst, sowie einen Katalysator, wobei zum Aufheizen des Katalysators
eine Umschaltung zwischen einem homogenen Betriebszustand mit einmaliger
und einem Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung von Kraftstoff
auf mindestens zwei Einspritzzeitpunkte in einen Brennraum der Brennkraftmaschine
erfolgt, wobei bei aufgeteilter Einspritzung beide Einspritzzeitpunkte
vor einer Zündung
eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liegen, wobei unmittelbar nach dem
Umschaltvorgang vom homogenen Betriebszustand auf den Betriebszustand
mit aufgeteilter Einspritzung der erste Einspritzzeitpunkt im wesentlichen
dem Einspritzzeitpunkt des homogenen Betriebszustandes entspricht
und der zweite Einspritzzeitpunkt der aufgeteilten Einspritzung
zunächst
so nahe beim ersten Einspritzzeitpunkt liegt, dass das hierbei entstehende
Gemisch annähernd
einem homogenen Gemisch entspricht und der zweite Einspritzzeitpunkt
dann nach spät
vom ersten Einspritzzeitpunkt weg verschoben wird, bis eine vorgegebene
Gemischaufbereitung vorliegt und wobei bei einer Umschaltung vom
Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung zum homogenen Betriebszustand
der zweite Einspritzzeitpunkt umgekehrt verschoben wird.
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Insgesamt
werden durch die Aufteilung der Einspritzung folgende Vorteile erreicht,
da hier ein anderer Gemischtyp vorliegt:
- – Es wird
der Motorlauf verbessert,
- – es
ist bei besserer Laufruhe ein schlechterer Wirkungsgrad (späterer Zündzeitpunkt)
möglich und
- – das
Gemisch kann stärker
abgemagert werden.
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Gleichzeitig
können
durch die beschriebene Umschaltstrategie ruckartige Änderungen
der Einstellparameter vermieden werden. Die Gemischaufbereitung
wird derart umgeschaltet, dass die Momentenentwicklungen von homogener
und aufgeteilter Einspritzung derart ähnlich sind, dass Ungenauigkeiten
beispielsweise durch Toleranzen von Sensoren und Aktuatoren nicht
mehr zu einem spürbaren
Momentensprung führen.
Darüber
hinaus wird auch kein Momentenverlust bei der Umschaltung spürbar, den der
Fahrer in Form eines "Rucks" wahrnimmt.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das in der Figur der Zeichnung dargestellt ist. Dabei
bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 eine
Brennkraftmaschine,
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2 Parameterverläufe bei
Umschaltung mit Verschiebung des zweiten Einspritzzeitpunktes und
bei spontaner Umschaltung.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs, bei der
ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar
ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen,
der u. a. durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und
ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist
ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ein
Abgasrohr 8 gekoppelt. Im Bereich des Einlassventils 5 und
des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und
eine Zündkerze 10 in
den Brennraum. Über
das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt
werden. Mit der Zündkerze 10 kann
der Kraftstoff in dem Brennraum 4 entzündet werden.
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In
dem Ansaugrohr 7 ist eine drehbare Drosselklappe 11 untergebracht, über die
dem Ansaugrohr 7 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft
ist abhängig
von der Winkelstellung der Drosselklappe 11. In dem Abgasrohr 8 ist
ein Katalysator 12 untergebracht, der der Reinigung der
durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.
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Von
dem Abgasrohr 8 führt
ein Abgasrückführrohr 13 zurück zu dem
Ansaugrohr 7. In dem Abgasrückführrohr 13 ist ein
Abgasrückführventil 14 untergebracht,
mit dem die Menge des in das Ansaugrohr 7 rückgeführten Abgases
eingestellt werden kann.
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Von
einem Kraftstofftank 15 führt eine Tankentlüftungsleitung 16 zu
dem Ansaugrohr 7. In der Tankentlüftungsleitung 16 ist
ein Tankfüllungsventil 17 untergebracht,
mit dem die Menge des dem Ansaugrohr 7 zugeführten Kraftstoffdampfes
aus dem Kraftstofftank 15 einstellbar ist.
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Der
Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoffes in
dem Brennraum 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt,
die auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und auf diese
ein Drehmoment ausübt.
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Ein
Steuergerät 18 zur
Steuerung und/oder Regelung ist von Eingangssignalen 19 beaufschlagt, die
mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen.
Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit
einem Luftmassensensor, einem Lambda-Sensor, einem Drehzahlsensor
und dergleichen verbunden. Des weiteren ist das Steuergerät 18 mit
einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die
Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit
das angeforderte Drehmoment angibt.
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Das
Steuergerät 18 erzeugt
Ausgangssignale 20, mit denen über Aktuatoren bzw. Steller
das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden
kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 18 mit dem Einspritzventil 9,
der Zündkerze 10 oder
der Drosselklappe 11 und dergleichen verbunden und erzeugt
die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
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U.
a. ist das Steuergerät 18 dazu
vorgesehen, die Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere
wird die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte
Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 18 insbesondere
im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine
geringe Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem
Zweck ist das Steuergerät 18 mit
einem Mikroprozessor (Computer) versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere
einem Flash-Memory, ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet
ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
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Insbesondere
bestimmt das Steuergerät 18 den
Drosselklappenwinkel und die Einspritzimpulsbreite, die wesentliche,
aufeinander abzustimmende Stellgröße zur Realisierung des gewünschten
Drehmomentes, der Abgaszusammensetzung und der Abgastemperatur darstellen.
Eine weitere wesentliche Stellgröße zur Beeinflussung
dieser Größen ist die
Winkellage der Zündung
relativ zur Kolbenbewegung.
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In
diesem Zuge kann die Katalysatortemperatur bestimmt werden, wobei
hier zum einen sowohl Messungen als auch eine Modulierung aus den
Betriebsgrößen in Frage
kommen. Insbesondere beim Start des Motors besteht jedoch das Problem,
dass der Katalysator 12 noch nicht die ausreichende Betriebstemperatur
besitzt. Es ist daher notwendig, dass der Katalysator 12 nach
einem Kaltstart möglichst
schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird. Diese Aufheizung kann
mit dem sogenannten motorischen Katheizen durch eine hohe Abgastemperatur erfolgen.
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Der
Start eines Motors erfolgt in der Regel in einer ersten Betriebsart,
dem sogenannten "Homogenbetrieb" der Brennkraftmaschine 1.
Hierbei wird die Drosselklappe 11 in Abhängigkeit
von dem gewünschten
Drehmoment teilweise geöffnet
bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 9 während einer
durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch
die gleichzeitig über
die Drosselklappe 11 angesaugte Luft wird der eingespritzte
Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlichen gleichmäßig verteilt.
Danach wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet,
um dann von der Zündkerze 10 entzündet zu
werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der
Kolben 2 angetrieben. Das entstehende Drehmoment hängt im homogenen
Betrieb im wesentlichen von der Stellung der Drosselklappe 11 ab.
Diese ist in der Startphase im wesentlichen geschlossen. Im Hinblick
auf eine geringe Schadstoffentwicklung wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch
möglichst
bei Lambda = 1 oder Lambda > 1 – leicht
mager – eingestellt.
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Zur
Erhöhung
der Abgastemperatur kann dabei vorgesehen sein, den Wirkungsgrad
der Verbrennung zu verschlechtern, indem die Zündung zu einem späteren Kurbelwinkel
stattfindet. Das gezündete
Gemisch ist dabei stöchiometrisch
oder leicht mager eingestellt. Allerdings besteht bei einer homogenen
Betriebsart hierbei der Nachteil, dass die Laufruhe des Motors nicht
zufriedenstellend ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt
dennoch der Start der Brennkraftmaschine 1 in der homogenen
Betriebsart, da für
eine geteilte Einspritzung die Luftmenge beim Startverlauf nicht
immer ausreicht.
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Sobald
aus der Stellung der Drosselklappe 11 oder anderen Sensorsignalen
auf eine ausreichend große,
zumindest mittlere Luftfüllung
geschlossen werden kann, wird zur Aufheizung des Katalysators 12 eine
Umschaltung in einen Betriebszustand mit aufgeteilter Einspritzung
durchgeführt. Hierbei
wird zunächst
eine erste Einspritzmenge in den Brennraum eingespritzt und zu einem
späteren Kurbelwinkel
eine zweite Einspritzmenge, wobei beide Einspritzzeitpunkte vor
dem Zündzeitpunkt
der Zündkerze 10 liegen.
Durch die Aufteilung der Einspritzung entsteht eine Gemischschichtung,
wobei an der Zündkerze 10 ein
eher fettes Gemisch anliegt, obwohl das Summenlambda in der gesamten
Brennkammer 4 noch mager ist. Durch das fette Gemisch um
die Kerze kann ein sicheres Zünden
auch bei sehr magerem Summenlambda sichergestellt werden. Zusätzlich kann – trotz
später
Zündung – ein sicheres,
schnelles Anbrennen des Gemisches gewährleistet werden. Dadurch erhöht sich
die Laufruhe auch bei später
Zündung
und damit schlechterem Wirkungsgrad. Es können auf diese Weise Wandwärmeverluste
verringert werden und es sind höhere
Abgastemperaturen bei gleicher Abgasmenge erzielbar. Damit wird
die Aufheizung des Katalysators schneller erreicht.
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Bei
der Umstellung stellen sich nun folgende Probleme: So kann zunächst die
Umschaltung nur erfolgen, wenn eine Mindest-Luftfüllung vorliegt, da ansonsten
die einzuspritzende Kraftstoffmenge je Einspritzung zu gering ist,
um zu gewährleisten,
dass die Regelung der Kraftstoffzufuhr eine ausreichende Genauigkeit
besitzt. Darüber
hinaus ist die Momentenentwicklung aufgrund des unterschiedlichen
Gemischtyps und der anderen Verbrennungsgeschwindigkeit bei einfacher
homogener Einspritzung und aufgeteilter Einspritzung stark unterschiedlich.
Daher muss mit der Umschaltung der Zündzeitpunkt sprunghaft verschoben
und die Luftfüllung
schnell verändert
werden. Auch wenn die Momentenentwicklung für diese Änderungen genau modelliert
werden kann, entstehen durch Toleranzen von Sensoren und Aktuatoren
Ungenauigkeiten. Es kann daher zu einem Momentensprung kommen, den
der Fahrer wahrnimmt. Darüber
hinaus können
Lambda-Abweichungen auftreten, da die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung
für beide
Einspritzarten unterschiedlich ist.
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Es
wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass die Gemischaufbereitung derart umgestaltet wird, dass die Momentenentwicklung
von homogener und aufgeteilter Einspritzung zum Zeitpunkt der Umschaltung
noch ähnlich
ist. Dabei kann es durch eventuelle Ungenauigkeiten nicht mehr zu
einem spürbaren
Momentensprung kommen. Nach der Umschaltung wird dann die aufgeteilte
Einspritzung kontinuierlich verändert,
d. h. die beiden Einspritzzeitpunkte werden auseinandergezogen,
wobei der zweite Einspritzzeitpunkt nach spät verschoben wird, bis die
gewünschte
Gemischaufbereitung erreicht ist.
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Unmittelbar
nach der Umschaltung liegt der zweite Einspritzzeitpunkt so früh, dass
er annähernd beim
ersten Einspritzzeitpunkt liegt und daher das Gemisch annäherungsweise
einem homogenen Gemisch mit einzelner Einspritzung entspricht. Es
müssen
dann Zündzeitpunkt
und Luftfüllung
nur noch mininmal angepasst werden. Nach der Umschaltung kann dann
der zweite Einspritzzeitpunkt kontinuierlich zum eigentlichen Sollwert,
d. h. in Richtung des Zündzeitpunktes
verschoben werden. Zündzeitpunkt und Luftfüllung werden
dabei an die geänderte
Gemischaufbereitung und Momentenentwicklung angepasst. Insbesondere
wird die Luftfüllung
erhöht,
um einem Momentenverlust entgegenzuwirken. Der Zündzeitpunkt kann bei gleichbleibender
Laufruhe weiter nach hinten verschoben werden, da eine geteilte
Einspritzung eine höhere
Laufruhe bei schlechterem Wirkungsgrad erlaubt, als eine homogene
Einspritzung.
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Insgesamt
haben die Gemischtypen bei der Umschaltung ähnliche Eigenschaften. Ungenauigkeiten
von Sensoren und Aktuatoren wirken sich daher nicht unterschiedlich
aus. Insbesondere wenn die Verschiebung des zweiten Einspritzzeitpunktes
der zweiten Kraftstoffmenge langsam und kontinuierlich erfolgt,
sind hier Ungenauigkeiten nicht mehr spürbar und sie führen nicht
zu einer Einbuße
im Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs.
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Wird
die Luftfüllung
erhöht,
nachdem oder während
die zweite Kraftstoffeinspritzung nach spät verschoben wird, so wird
der Zündzeitpunkt
entsprechend der höheren
Füllung
und der geänderten
Gemischaufbereitung angepasst. Insgesamt können Stufen und Sprünge, die
sich im maximalen Moment bei optimaler Zündung ergeben, hierdurch derartig angenähert werden,
dass die einzelnen Betriebszustände
annähernd
kontinuierlich ineinander übergehen.
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Anhand 2 soll
verdeutlicht werden, wie sich die einzelnen Parameter verändern, wenn
der Umschaltvorgang abrupt oder durch kontinuierliche Verschiebung
der zweiten Kraftstoffeinspritzung bezüglich des Zeitpunktes verändert wird.
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2 zeigt
jeweils auf der linken Seite Darstellungen für das maximale Moment bei optimaler Zündung, den
Einspritzzeitpunkt bezüglich
des Abstandes vor dem oberen Totpunkt, den Zündzeitpunkt bezüglich des
Abstandes zum oberen Totpunkt und die Luftfüllung für eine unmittelbare Umschaltung
auf den gewünschten
Sollwert bei der aufgeteilten Einspritzung. Die rechten Darstellungen
zeigen dagegen ein erfindungsgemäßes "Auframpen", wobei der Einspritzzeitpunkt
der zweiten Kraftstoffmenge zunächst nahe
beim ersten Einspritzzeitpunkt liegt, und somit die Gemischcharakteristik
annähernd
derjenigen der homogenen Einspritzung entspricht.
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So
kann insbesondere gut gesehen werden, dass in der untersten Darstellung,
die das maximale Moment bei optimaler Zündung zeigt, bei einer einzelnen
Einspritzung über
die Zeit, zunächst
ein konstantes Moment vorliegt, wobei dieses ansteigt, da auch bei
optimaler Zündung
bei der aufgeteilten Einspritzung ein geringeres Moment erbracht
wird als bei einfacher homogener Einspritzung und so vor der Umschaltung
bereits mehr Luftfüllung
aufgebaut werden muss. Daher steigt das optimale Moment für die homogene
Einspritzung dann mit der Luftfüllung
an. Diese Moment fällt
dann schlagartig zum Zeitpunkt der Umschaltung, die jeweils durch
die mittlere gestrichelte senkrechte Linie dargestellt ist, ab.
Dieser Leistungsverlust ist vom Fahrer als Ruck spürbar, sofern
er nicht durch die Korrektur des Zündzeitpunkts hinreichend kompensiert
wird. Durch Erhöhung
der Luftmenge sowie Einstellung eines wiederum optimalen Zündzeitpunktes
kann dieses Moment dann langsam wieder gesteigert werden.
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Bei
einer Umschaltung, wobei die zweite Kraftstoffeinspritzung zunächst auch
früh, also
weit vor dem oberen Totpunkt, erfolgt, verhält sich das Gemisch zunächst auch
nach der Umschaltung wie ein homogenes Gemisch. Durch die Verschiebung des
Zündzeitpunktes
und des zweiten Einspritzzeitpunktes steigt das optimale Moment
dann wiederum auf den Endwert an. Ein Sprung ist über die
Umschaltung annähernd
nicht festzustellen.
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Die
zweite Darstellung von unten zeigt den Abstand vom unteren Totpunkt
bezüglich
des zweiten Einspritzzeitpunktes. Ist auf der linken Seite dargestellt,
dass dieser einen relativ kurzen Abstand vom oberen Totpunkt bereits
zum Zeitpunkt der Umstellung besitzt, kann der rechten Darstellung
entnommen werden, dass dieser zunächst einen erheblichen Abstand
vom oberen Totpunkt aufweist nach der Umschaltung, und dann erst
im Laufe der Umstellung an den Sollwert, der nahe am oberen Totpunkt
liegt, herangefahren wird.
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Ebenfalls
zu sehen ist, dass zunächst
der Zündzeitpunkt
bei einer homogenen Einspritzung einen relativ großen Abstand
zum oberen Totpunkt aufweist, d. h. eine frühe Zündung findet statt, da nur dann
eine gute Laufruhe bei einer homogenen Einspritzung gewährleistet
ist. Zur Umschaltung hin wird dieser Zeitpunkt nach hinten verschoben,
um bei der erhöhten
Luftfüllung,
die sich aus der obersten Darstellung ergibt, einem weiteren Anstieg
des Momentes bei einer homogenen Betriebsart entgegenzuwirken. Durch
das nach hinten Verschieben des Zündzeitpunktes wird allerdings
die Laufruhe verschlechtert.
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Nach
der Umschaltung muss der Zündzeitpunkt
dann sprunghaft wieder nach früh
verschoben werden, um bei gleichbleibender Luftfüllung zunächst einem Momentenabfall entgegenzuwirken
und somit eine optimale Zündung
zu erzielen. Im späteren
Zeitpunkt kann der Zündzeitpunkt
dann wieder nach hinten verschoben werden, wobei eine Verschiebung insgesamt
deutlich weiter nach hinten erfolgen kann, also zu einem späteren Zeitpunkt
gezündet
werden kann als bei einer homogenen Betriebsart, da hier auch bei
schlechterem Wirkungsgrad die Laufruhe nicht beeinträchtigt ist.
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Betrachtet
man nun die rechte Darstellung, so sieht man, dass auch hier die
Zündzeitpunkte
nur einen kleinen Sprung vollführen,
da auch hier die Gemischcharakteristiken zum Zeitpunkt der Umschaltung ähnlich sind.
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Die
Luftfüllung
verhält
sich sowohl für
die sprunghafte Umstellung als auch für die kontinuierliche Umstellung
annähernd
gleich, da diese erhöht werden
muss bei einer Betriebsart mit aufgeteilter Einspritzung, um ein
optimales Moment erreichen zu können.