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Diese Erfindung betrifft ein Steuerungs-/Regelungssystem und -Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung, Aufladung und Abgaszurückhaltung, die bewirken, dass ein dem Motor zugeführtes Gemisch durch Selbstzündung in einem Verbrennungsraum verbrennt.
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Ein herkömmliches Steuerungs-/Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung wurde schon vorgeschlagen, z. B. in der
JP 10-266878 A . Bei diesem Steuerungs-/Regelungssystem sind die Betriebsbereiche für Niedriglast bis Mittellast auf einen Bereich eingestellt, in dem die Verdichtungszündung ausgeführt wird. Zudem ist der Zeitpunkt, in dem sich Einlass- und Auslassventile öffnen und schließen, variabel. Wenn sich die Last auf den Motor im Bereich für die Verdichtungszündung befindet, dann wird der Zeitpunkt gesteuert, in dem sich die Einlass- und Auslassventile öffnen und schließen, je nach Last auf den Motor, damit die Selbstzündung leicht erreicht wird. Vor allem bei einem Betriebsbereich für Niedriglast, wo die Last auf den Motor geringer ist, d. h. wo die Selbstzündung wegen der geringeren Kraftstoffzufuhr schwieriger ist, wird der Zeitpunkt, in dem sich die Einlassventile schließen, vorgezogen, wobei das Verdichtunsverhältnis der angesaugten Luft erhöht wird. Der Zeitpunkt, in dem sich die Auslassventile schließen, wird auch vorgezogen, wobei ein Teil der Abgase in den Verbrennungsräumen verbleibt. Dadurch wird die Temperatur des Gemischs erhöht, das den Verbrennungsräumen zugeführt wird. Durch die hohe Temperatur des Gemischs wird die Selbstzündung leicht erreicht.
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Bei dem herkömmlichen Steuerungs-/Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung ist die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und die Menge der Abgase, die in jedem Verbrennungsraum verbleiben kann, jedoch begrenzt, da ein extrem hohes Verdichtungsverhältnis zu Nageln führt. Zudem, wenn die Menge der verbleibenden Abgase zu groß wird, kann nicht mehr genug Gemisch dem Verbrennungsraum zugeführt werden und der Motor somit nicht mehr die benötigte Leistung bringen. Deswegen ist eine Temperaturerhöhung des Gemischs mit Hilfe von Abgasen begrenzt und daher kann die Selbstzündung nicht bei Niedriglast herbeigeführt werden. Dadurch ist der Bereich für die Verdichtungszündung bei Niedriglast begrenzt.
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Die
DE 196 16 555 A1 offenbart ein Steuerungs-/Regelsungssystem für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung sowie ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung, wobei in dem System bzw. in dem Verfahren Betriebsbedingung-Sensoren eine Gaspedal-Öffnung sowie eine Motordrehzahl erfassen. Der bekannte Motor weist ferner einen Lader auf, um durch Aufladung frische Luft in den Verbrennungsmotor zu bringen, wobei im Bereich niedriger Motordrehzahlen ein vorbestimmter Zusatzdruck von dem Lader bereitgestellt wird, und der zusätzliche Druck in anderen Drehzahlbereichen reduziert wird. Ferner verfügt das System über eine externe Abgasrückführung, mit welcher aus der Brennkammer austretendes Abgas über eine AGR-Leitung und ein AGR-Ventil teilweise in die Ansaugleitung des Motors zurückgeführt wird.
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Die
WO 02/14665 A1 offenbart ein Steuerungs-/Regelungssystem und -verfahren für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung und Abgaszurückhaltung, wobei das Steuerungs-/Regelungssystem Betriebsbedingungs-Sensoren zur Feststellung einer benötigten Last des Motors in Abhängigkeit einer erfassten Gaspedal-Öffnung und einer erfassten Motordrehzahl sowie eine Abgaszurückhaltungsvorrichung zur Zurückhaltung eines Teils der Abgase im Verbrennungsraum nach der Verbrennung umfasst. Ein Druck in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors wird beeinflusst durch eine Ventilsteuerung der Ein- und Auslassventile sowie durch eine Steuerung der Abgaszurückhaltung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuerungs-/Regelungssystem und -Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung, Aufladung und Abgaszurückhaltung mit einem erweiterten Bereich für die Verdichtungszündung bei Niedriglast bereitzustellen, während der Motor mit Sicherheit die benötigte Leistung bringt.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ein Steuerungs-/Regelungssystem gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Nach diesem Steuerungs-/Regelungssystem wird die Menge der Abgase, die im Verbrennungsraum verbleiben soll, in Abhängigkeit der festgestellten Betriebsbedingungen des Motors bestimmt. Die so bestimmte Abgasmenge wird im Verbrennungsraum zurückgehalten. Deswegen, wenn die Menge der verbleibenden Abgase je nach benötigter Last auf den Motor bestimmt wurde, kann eine ausreichende Menge an Abgasen im Verbrennungsraum zurückgehalten werden. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des Gemischs, das im Verbrennungsraum verbrannt werden soll, ausreichend zu erhöhen. Ferner wird beurteilt, basierend auf den festgestellten Betriebsbedingungen des Motors, ob die Aufladung durch den Lader ausgeführt werden soll, um eine Selbstzündung herbeizuführen, oder nicht. Wenn die Aufladung ausgeführt werden soll, wird der Motor mit frischer Luft aufgeladen. Damit die frische Luft im Verbrennungsraum nicht knapp wird, z. B. durch eine relativ große Menge an verbleibenden Abgasen, wird der Motor mit frischer Luft aufgeladen, was zur Selbstzündung führt. Dabei ist es möglich, mit Sicherheit eine bestimmte Menge an frischer Luft für die Selbstzündung bereitzustellen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Bereitstellung der für die Selbstzündung benötigten Mengen an verbleibenden Abgasen und frischer Luft sicherzustellen, je nach Betriebsbedingungen des Motors, wobei die Verdichtungszündung nun auch bei Niedriglast ausgeführt werden kann und der Motor mit Sicherheit die benötigte Leistung bringt.
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Vorzugsweise beurteilt die Aufladungs-Beurteilungseinrichtung, dass die Aufladung durch den Lader ausgeführt werden soll, wenn die bestimmte Menge an verbleibenden Abgasen gleich wie oder höher als ein vorbestimmter Wert ist.
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Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Aufladung ausgeführt, wenn die Menge an verbleibenden Abgasen gleich wie oder höher als der vorbestimmte Wert ist. D. h., wenn die frische Luft im Verbrennungsraum knapp wird, wird der Motor aufgeladen. Somit ist es möglich, die Bereitstellung der für die Selbstzündung benötigte Menge an frischer Luft sicherzustellen.
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Vorzugsweise erhöht die Aufladungs-Steuerungs-/Regelungsvorrichtung den Aufladungsdruck des Laders, wenn sich die bestimmte Menge an verbleibenden Abgasen erhöht.
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Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Aufladungsdruck zur Aufladung des Verbrennungsraums mit frischer Luft erhöht, wenn die Menge an verbleibenden Abgasen höher ist, d. h., wenn der Grad der Knappheit an frischer Luft im Verbrennungsraum höher ist. Somit ist es möglich, eine adäquate Menge an frischer Luft, die für die Selbstzündung bei einer bestimmten Menge an verbleibenden Abgasen benötigt wird, zur Verfügung zu stellen.
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Vorzugsweise umfassen die Betriebsbedingungs-Sensoren einen Motordrehzahl-Sensor, der die Motordrehzahl feststellt, und einen Gaspedal-Öffnungs-Sensor, um die Gaspedal-Öffnung festzustellen. Mit Hilfe der Aufladungs-Beurteilungseinrichtung wird beurteilt, ob die Aufladung durch den Lader aufgeführt werden soll, oder nicht. Diese Schritte basieren auf einem Kennfeld, auf dem die vorbestimmten Werte der Menge der verbleibenden Abgase im Verhältnis zu der benötigten Last auf den Motor je nach Gaspedal-Öffnung und Motordrehzahl eingestellt sind.
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Vorzugsweise umfasst der Motor ein Auslassventil. Durch die Abgas-Zurückhaltungsvorrichtung wird ein Teil der Abgase im Verbrennungsraum zurückgehalten, indem der Zeitpunkt, in dem sich das Auslassventil schließt, vorgezogen wird.
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Vorzugsweise umfasst der Motor außerdem eine Vielzahl von weiteren Auslassventilen. Durch die Abgas-Zurückhaltungsvorrichtung wird ein Teil der Abgase im Verbrennungsraum zurückgehalten, indem sich mindestens eines der Auslassventile während eines Ansaugtakts öffnet und somit Abgase in den Verbrennungsraum gelangen.
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Um die oben genannte Erfindungsaufgabe zu lösen, wird gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 7 bereitgestellt.
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Gemäß diesem Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung können dieselben vorteilhaften Effekte wir beim ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
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Vorzugsweise umfasst der Beurteilungs-Schritt die Beurteilung, dass die Aufladung ausgeführt werden soll, wenn die bestimmte Menge an verbleibenden Abgasen gleich wie oder höher als ein vorbestimmter Wert ist.
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Vorzugsweise umfasst der Steuerungs-/Regelungs-Schritt, dass der Aufladungsdruck des Laders erhöht wird, wenn sich die bestimmte Menge an verbleibenden Abgasen erhöht.
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Vorzugsweise umfasst der Feststellungs-Schritt die Feststellung der Motordrehzahl und der Gaspedal-Öffnung. Der Beurteilungs-Schritt umfasst die Beurteilung, ob die Aufladung ausgeführt werden soll, oder nicht. Diese Beurteilung basiert auf einem Kennfeld, in dem die vorbestimmten Werte der Menge der verbleibenden Abgase im Verhältnis zu der benötigten Last auf den Motor je nach Gaspedal-Öffnung und Motordrehzahl eingestellt sind.
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Vorzugsweise umfasst der Motor ein Auslassventil. Der Zurückhaltungs-Schiff umfasst das Zurückhalten eines Teils der Abgase im Verbrennungsraum, indem der Zeitpunkt, in dem sich das Auslassventil schließt, vorgezogen wird.
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Vorzugsweise umfasst der Motor außerdem eine Vielzahl von weiteren Auslassventilen. Der Zurückhaltungs-Schritt umfasst das Zurückhalten eines Teils der Abgase im Verbrennungsraum, indem sich mindestens eins der Auslassventile während eines Ansaugtakts öffnet und somit Abgase in den Verbrennungsraum gelangen.
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Mit den genannten bevorzugten Ausführungsbeispielen des zweiten Gesichtspunkts der Erfindung können dieselben vorteilhaften Effekte wie mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen des ersten Gesichtspunkts der Erfindung erzielt werden.
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Die schon genannten und weitere Ziele, besondere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen noch klarer werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin sieht man auf:
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1 ein Diagramm, das schematisch die Anordnung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung zeigt, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird;
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2 ein Blockdiagramm, das schematisch die Anordnung eines Steuerungs-Regelungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ein Flussdiagram eines Steuerungs-/Regelungsvorgangs für die Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung;
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4 ein Diagramm, das ein Beispiel einer PSE-Tabelle zeigt, wie sie im Steuerungs-/Regelungsvorgang von 3 benutzt wird;
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5 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Kennfelds zur Bestimmung von Betriebsbereichen zeigt, wie es im Steuerungs-/Regelungsvorgang von 3 benutzt wird;
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6 ein Diagramm, das ein Beispiel einer EGR-Tabelle zeigt, wie sie im Steuerungs-Regelungsvorgang von 3 benutzt wird;
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7 ein Diagramm, das ein Beispiel von Ventilhubkurven zeigt, wie sie im Steuerungs-/Regelungsvorgang von 3 benutzt werden;
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8 ein Diagramm, das ein Beispiel eines PSC-Berechnungs-Kennfelds zeigt, wie es im Steuerung-/Regelungsvorgang von 3 benutzt wird;
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9 ein Flussdiagramm eines Steuerungs-Regelungsvorgangs, der von einem Steuerungs-/Regelungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung ausgeführt wird;
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10 ein Diagramm, das schematisch die Anordnung von Einlassventilen und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung zeigt, bei dem ein Steuerungs-/Regelungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
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und auf 11 ein Diagramm, das ein Beispiel von Ventilhubkurven der Einlass- und Auslassventile, die in 10 zu sehen sind, zeigt.
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Die Erfindung wird nun ausführlich beschrieben. Dabei wird auf die Zeichnungen mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung verwiesen. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung (im Folgenden wird der Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung schlicht als Motor bezeichnet) 2, bei dem ein Steuerungs-/Regelungssystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird. 2 zeigt schematisch die Anordnung des Steuerungs-/Regelungssystems 1.
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Der Motor 2 ist z. B. ein Vier-Zylinder-Reihenmotor (Ottomotor). Der Motor 2 hat vier Zylinder (nur einer davon ist auf der Zeichnung zu sehen), in denen jeweils ein zwischen einem Kolben 2a und einem Zylinderkopf 2b ein Verbrennungsraum 2c ist. In der Mitte der Oberfläche des Kolbens 2a ist eine Vertiefung 2d. Am Zylinderkopf 2b sind ein Ansaugrohr 4 und ein Auspuffrohr 5 angeordnet. Im Zylinderkopf 2b befindet sich eine Zündkerze 7, die bis in den Verbrennungsraum 2c hinein reicht. Am Ansaugrohr 4 ist ein Einspritzventil 6a angeordnet, das auf die Vertiefung 2d des Kolbens 2a gerichtet ist. Das Einspritzventil 6a ist mit einer Kraftstoffpumpe verbunden (nicht auf der Zeichnung zu sehen), deren Zeitraum der Kraftstoffeinspritzung TOUT von einer ECU 3 gesteuert wird, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. An die Zündkerze 7 wird eine hohe Spannung angelegt, zeitlich entsprechend einem Zündzeitpunkt IGLOG vom Antriebssignal der ECU 3. Durch anschließende Unterbrechung der angelegten hohen Spannung wird ein Funke entladen, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet wird. Der Motor 2 kann per Funkenzündung Kraftstoff verbrennen (was im Folgenden als SI-Verbrennung bezeichnet wird), wobei das Gemisch im Verbrennungsraum 2c von einem Funken der Zündkerze 7 entzündet wird. Er kann aber auch per Verdichtungszündung Kraftstoff verbrennen (was im Folgenden als CI-Verbrennung bezeichnet wird), wobei das Gemisch im Verbrennungsraum 2c durch Selbstzündung entzündet wird.
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Einlassventil 8 und Auslassventil 9 werden für jeden Zylinder jeweils durch elektromagnetische Ventilmechanismen 10 betätigt (Abgas-Zurückhaltungsvorrichtung). Jeder der elektromagnetischen Ventilmechanismen 10 umfasst zwei Elektromagnete, die nicht auf der Zeichnung zu sehen sind. Der Zeitpunkt der Erregung und Aberregung der Elektromagnete wird von Antriebssignalen der ECU 3 gesteuert, wobei das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 betätigt werden, sodass sie zum gewünschten Zeitpunkt geöffnet bzw. geschlossen werden (Ventil-Zeitsteuerung). Indem der Zeitpunkt, in dem sich das Auslassventil 9 schließt, vorgezogen wird, können Abgase im Verbrennungsraum 2c zurückgehalten werden (von nun an wird dieser Vorgang als interne EGR bezeichnet). Ferner kann die Menge der verbleibenden Abgase, d. h., der Interne-EGR-Anteil, gesteuert/geregelt werden.
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Im Ansaugrohr 4 ist eine Drosselklappe 11 angeordnet. Die Drosselklappe 11 ist mit einem Elektromotor 11a, z. B. einem Gleichstrommotor, verbunden. Die relative Einschaltdauer eines Treiberstroms, der dem Elektromotor 11a zugeführt wird, wird von der ECU 3 gesteuert, wobei der Grad der Öffnung (von nun an als Drosselklappen-Öffnung bezeichnet) TH der Drosselklappe 11 gesteuert wird.
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Die Drosselklappen-Öffnung TH wird von einem Drosselklappen-Öffnungs-Sensor 20 festgestellt. Ferner ist im Ansaugrohr 4 ein Einlassluft-Temperatur-Sensor 21 untergebracht, und zwar an einem Ort stromabwärts der Drosselklappe 11, der die Temperatur TA der Luft im Ansaugrohr 4 misst (von nun an als Einlassluft-Temperatur bezeichnet). Elektrische Signale, die die Drosselklappen-Öffnung TH und die Einlassluft-Temperatur TA anzeigen, werden an die ECU weitergeleitet.
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Im Ansaugrohr 4 ist ein Lader 12 angeordnet, und zwar an einem Ort stromaufwärts der Drosselklappe 11. Der Lader umfasst einen Rotor (nicht auf der Zeichnung zu sehen) und eine Solenoidkupplung 12a. Der Rotor ist über die Solenoidkupplung 12a mit einer Kurbelwelle (nicht auf der Zeichnung zu sehen) des Motors 2 verbunden. Durch die Solenoidkupplung 12a wird die Verbindung zwischen dem Rotor und der Kurbelwelle geschaffen bzw. unterbrochen. Der Betrieb der Solenoidkupplung 12a wird von der ECU 3 gesteuert. Aufgrund dieser Bauweise wird der Rotor von der Kurbelwelle angetrieben, wenn die Solenoidkupplung 12a eingerückt ist, wobei der Verbrennungsraum 2c mit frischer Luft aufgeladen wird.
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Am Ansaugrohr 4 ist ein Bypass-Rohr 13 angeordnet, durch das der Lader 12 umgangen werden kann. Im Bypass-Rohr 13 befindet sich ein Bypass-Ventil 14. Das Bypass-Ventil 14 ist mit einem Elektromotor 14a, z. B. einem Gleichstrommotor, verbunden. Die relative Einschaltdauer eines Treiberstroms, der dem Elektromotor 14a zugeführt wird, wird von der ECU 3 gesteuert, wobei der Grad der Öffnung (von nun an als Bypass-Ventil-Öffnung bezeichnet) BPV des Bypass-Ventils 14 gesteuert/geregelt wird. Durch die Steuerung/Regelung der Bypass-Ventil-Öffnung BPV wird der Aufladungsdruck, der durch den Lader 12 entsteht, gesteuert/geregelt.
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Ferner ist im Ansaugrohr 4 ein Zwischenkühler 15 an einem Ort stromabwärts des Laders 12 angeordnet. Im Zwischenkühler 15 befindet sich Wasser als Kühlmittel. Er wird zur Kühlung frischer Luft benutzt, deren Temperatur durch die Verdichtung im Lader angestiegen ist.
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Die ECU 3 empfängt ein CRK-Signal vom Kurbelwellen-Winkel-Sensor 22 (Betriebsbedingungs-Sensor). Das CRK-Signal ist ein Pulssignal, das vom Kurbelwellen-Winkel-Sensor 22 je nach Rotation der Kurbelwelle des Motors 2 ausgeht, d. h., immer wenn die Kurbelwelle durch einen vorbestimmten Winkel rotiert. Durch die ECU 3 wird, basierend auf dem CRK-Signal, eine Motordrehzahl NE bestimmt. Ferner empfängt die ECU 3 ein Signal von einem Motorkühlmittel-Temperatur-Sensor 23, das die Temperatur TW des Kühlmittels des Motors 2 anzeigt (von nun an als Motorkühlmittel-Temperatur bezeichnet). Ferner empfängt die ECU 3 ein Signal, das den Grad der Öffnung des Gaspedals bzw. den Grad, den das Gaspedal betätigt wird (bezeichnet als Gaspedal-Öffnung) anzeigt. Das Gaspedal ist nicht auf der Zeichnung zu sehen. Das Signal kommt von einem Gaspedal-Öffnungs-Sensor 24. Ferner empfängt die ECU 3 ein weiteres Signal von einem Abgas-Temperatur-Sensor 25, das die Temperatur TEXH der Abgase im Auspuffrohr 5 anzeigt (von nun an als Abgas-Temperatur bezeichnet).
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die ECU 3 den Betriebsbedingungs-Sensor, den Verbleibende-Abgasmenge-Sensor, den Aufladungs-Sensor und die Aufladungs-Steuerungs-/Regelungsvorrichtung in einem Mikrocomputer, der eine 1/0-Schnittstelle, eine CPU, ein RAM und ein ROM enthält (nicht auf der Zeichnung zu sehen). Die Signale der genannten Sensoren 20 bis 25 bilden das Input für die CPU, nachdem sie von der 1/0-Schnittstelle in Wechselstrom umgewandelt und in Wellenform gebracht wurden.
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Durch die CPU werden die Betriebsbedingungen des Motors 2 aufgrund dieser Input-Signale bestimmt. Dann wird von der CPU in Abhängigkeit der bestimmten Betriebsbedingungen bestimmt, ob SI-Verbrennung oder CI-Verbrennung vom Motor 2 ausgeführt werden sollte. Dies geschieht gemäß einem Steuerungs-/Regelungsprogramm und Daten, die die CPU vom ROM, RAM, etc. abliest. Dann wird von der CPU ein Steuerungs-/Regelungsvorgang zur Steuerung/Regelung des Motors 2 gemäß dem Ergebnis der Bestimmung durchgeführt.
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3 ist ein Flussdiagramm des genannten Steuerungs-/Regelungsvorgangs. Zuerst wird in einem Schritt S1 die benötigte Last TE u. a. mit Hilfe der Motordrehzahl NE auf den Motor 2 berechnet, und zwar in der folgenden Gleichung (1): TE = CONST·PSE/NE (1) wobei CONST für eine Konstante und PSE für die benötigte Leistung des Motors 2 steht. Die benötigte Leistung PSE wird nach Ablesen in einer PSE-Tabelle eingestellt, zu sehen in 4, und zwar gemäß der Gaspedal-Öffnung AP und der Motordrehzahl NE. Die PSE-Tabelle besteht aus einer Vielzahl von Tabellen, die jeweils vorbestimmte Werte der Gaspedal-Öffnung AP in einer Bandbreite von O bis 100% anzeigen. Wenn die Gaspedal-Öffnung AP einen Wert zwischen zwei der vorbestimmten Werte der Gaspedal-Öffnung AP anzeigt, dann wird die benötigte Leistung PSE durch Interpolation berechnet. Ferner wird in den genannten Tabellen die benötigte Leistung PSE auf einen höheren Wert eingestellt, wenn die Motordrehzahl Ne höher und die Gaspedal-Öffnung größer ist.
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Dann wird in einem Schritt S2 bestimmt, ob der Motor 2 sich in einem Betriebsbereich befindet, in dem die SI-Verbrennung ausgeführt werden sollte (von nun an als SI-Verbrennungsbereich bezeichnet), oder nicht. Diese Bestimmung beruht auf einem Kennfeld zur Bestimmung von Betriebsbereichen, zu sehen auf 5, gemäß der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE. Im Kennfeld zur Bestimmung von Betriebsbereichen, wie in 5 von den durchgehenden Linien angezeigt wird, wird ein Bereich, in dem sowohl die benötigte Last TE niedrig bis mittelhoch ist, als auch zur gleichen Zeit die Motordrehzahl NE niedrig bis mittelhoch ist, als Betriebsbereich bezeichnet, in dem die CI-Verbrennung ausgeführt werden sollte (von nun an als CI-Verbrennungsbereich bezeichnet). Der andere Bereich wird auf den SI-Verbrennungsbereich eingestellt.
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Der CI-Verbrennungsbereich wird von den gestrichelten Linien L1 und L2 in einen nicht-internen EGR-Bereich CI1, einen internen EGR-Bereich CI2 und einen internen EGR-/Aufladungsbereich CI3 aufgeteilt. Beim nicht-internen EGR-Bereich CI1 ist die benötigte Last TE mittelhoch und die Motordrehzahl NE zur gleichen Zeit niedrig, weshalb keine Abgase zurückgehalten werden, d. h., die interne EGR nicht ausgeführt wird. Beim internen EGR-Bereich CI2 ist die benötigte Last TE niedrig bis mittelhoch und die Motordrehzahl NE zur gleichen Zeit ebenfalls niedrig bis mittelhoch, weshalb hier die interne EGR ausgeführt wird. Beim internen EGR-/Aufladungsbereich CI3 ist die benötigte Last TE niedrig bis mittelhoch und die Motordrehzahl NE zur gleichen Zeit mittelhoch, weshalb die interne EGR und zur gleichen Zeit auch die Aufladung ausgeführt wird. Ferner ist der SI-Verbrennungsbereich in einen Aufladungsbereich SI2 und einen Nicht-Aufladungsbereich SI1 aufgeteilt. Im Aufladungsbereich SI2 ist die benötigte Last TE hoch und die Aufladung wird ausgeführt. Im Nicht-Aufladungsbereich SI1 wird die Aufladung nicht ausgeführt.
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Wenn die Antwort zur Frage von Schritt S2 eine Bejahung ist (JA), d. h., wenn der Motor 2 sich im SI-Verbrennungsbereich befindet, dann wird die SI-Verbrennung in einem Schritt S3 ausgeführt. Der Zündzeitpunkt IGLOG, die Drosselklappen-Öffnung TH, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Gemischs, das dem Motor zugeführt wird, etc. werden gemäß der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE gesteuert/geregelt. Wenn der Motor 2 sich im Aufladungsbereich SI2 des SI-Verbrennungsbereichs befindet, dann wird die Aufladung ausgeführt, indem die Solenoidkupplung 12a des Laders 12 betätigt wird.
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Wenn die Antwort zur Frage von Schritt S2 eine Verneinung ist (NEIN), d. h., wenn der Motor 2 sich im CI-Verbrennungsbereich befindet, dann wird der Interne-EGR-Anteil in einem Schritt S4 bestimmt. Der Interne-EGR-Anteil wird gemäß der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE bestimmt, basierend auf einem EGR-Kennfeld (zu sehen in 6).
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Im EGR-Kennfeld sind definierte Kurven zu sehen, die jeweils die vorbestimmten Interne-EGR-Anteile von 0 bis 80% darstellen. Jede Kurve ist aus Verbindungspunkten gebildet, wobei derselbe Interne-EGR-Anteil im Verhältnis zur benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE dargestellt ist. Ferner ist das EGR-Kennfeld so angeordnet, dass der Interne-EGR-Anteil auf einen höheren Wert eingestellt wird, wenn die benötigte Last TE geringer und die Motordrehzahl NE höher ist. Diese Anordnung des EGR-Kennfelds hat folgende Gründe: wenn die benötigte Last TE geringer wird, wird auch die Kraftstoffversorgung geringer, wodurch die Selbstzündung schwierig herbeizuführen ist. Um dieses Problem zu beheben, wird der Wert des EGR-Kennfelds auf einen höheren Wert eingestellt. Dadurch wird der Interne-EGR-Anteil erhöht, wodurch die Temperatur des Gemischs im Verbrennungsraum 2c erhöht wird. Wenn die Motordrehzahl NE erhöht wird, wird die Zeit für die Verbrennung des Gemischs verringert, sodass nicht mehr genug Zeit für die Selbstzündung zur Verfügung steht. Dann ist es schwierig, die Selbstzündung herbeizuführen. Um die knappe Zeit zu kompensieren, wird durch die Einstellung des EGR-Kennfelds auf einen höheren Wert der Interne-EGR-Anteil erhöht, wodurch die Temperatur des Gemischs im Verbrennungsraum 2c erhöht wird. Wenn ein Punkt, der für die benötigte Last TE und die Motordrehzahl NE steht, sich nicht auf einer der genannten Kurven im EGR-Kennfeld befindet, dann wird der Interne-EGR-Anteil durch Interpolation bestimmt. In einem Bereich, wo die benötigte Last TE höher ist und die Motordrehzahl NE zur gleichen Zeit niedriger ist als eine Kurve, die für einen Internen-EGR-Anteil von 0% steht, wird der Interne-EGR-Anteil als Wert 0 festgelegt. Mit anderen Worten: die Kurve, die für einen Internen-EGR-Anteil von 0% steht, entspricht der gestrichelten Linie L1 zwischen dem nicht-internen EGR-Bereich CI1 und dem internen EGR-Bereich CI2 in 5.
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Als nächstes wird in einem Schritt S5 bestimmt, ob sich der Motor 2 im internen EGR-/Aufladungsbereich CI3 des Kennfelds zur Bestimmung von Betriebsbereichen von 5 befindet, oder nicht. Wenn die Antwort auf die Frage von Schritt S5 eine Verneinung ist (NEIN), d. h., wenn der Motor 2 sich nicht im internen EGR-/Aufladungsbereich CI3 befindet, dann wird im folgenden Schritt S6 die Ventil-Zeitsteuerung der Einlassventile 8 und der Auslassventile 9 gemäß dem in Schritt S4 bestimmten Internen-EGR-Anteil festgelegt.
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7 zeigt Ventilhubkurven, die auf einem Beispiel der genannten Anordnungen der Ventil-Zeitsteuerung basieren. Genauer gesagt: der Zeitpunkt, in dem sich die Auslassventile 9 öffnen, wird auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, und zwar kurz bevor der untere Totpunkt erreicht wird. Dies geschieht unabhängig davon, ob die interne EGR ausgeführt wird, oder nicht. Wenn die interne EGR nicht ausgeführt wird (Interner-EGR-Anteil = 0), dann wird der Zeitpunkt, in dem sich das Auslassventil 9 schließt, auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, nachdem der obere Totpunkt erreicht wurde (Kurve L3). Wenn die interne EGR dagegen ausgeführt wird, dann wird der Zeitpunkt, in dem sich das Auslassventil 9 schließt, auf Kurbelwellen-Winkel eingestellt, bevor der obere Totpunkt erreicht wird (Kurven L4 und L5), da der Interne-EGR-Anteil größer ist. Was die Einlassventile 8 betrifft: wenn die interne EGR nicht ausgeführt wird, wird der Zeitpunkt, in dem sich das Einlassventil 8 öffnet, auf einen Kurbelwellen-Winkel kurz bevor der obere Totpunkt (Kurve L6) erreicht wird, eingestellt. Wenn die interne EGR dagegen ausgeführt wird, dann wird der Zeitpunkt, in dem sich das Einlassventil 8 öffnet, auf einen vorbestimmten Kurbelwellen-Winkel eingestellt, und zwar nachdem dem obere Totpunkt erreicht wurde (Kurve L7), unabhängig vom Internen-EGR-Anteil. Ferner wird der Zeitpunkt, in dem sich das Einlassventil 8 schließt auf einen Kurbelwellen-Winkel kurz nachdem der untere Totpunkt erreicht wurde eingestellt, unabhängig davon, ob die interne EGR ausgeführt wird, oder nicht.
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Im folgenden Schritt S7 wird die Öffnung Bypass-Ventils BPV so gesteuert, dass es ganz geöffnet ist, damit der Lader 12 die Aufladung nicht ausführt. Dann wird in einem Schritt S8 die Zündung durch die Zündkerze 7 unterbunden, damit die CI-Verbrennung ausgeführt werden kann. Ferner wird zu diesem Zweck die Drosselklappen-Öffnung TH so gesteuert/geregelt, dass sie ganz geöffnet ist. Zudem wird zu diesem Zweck der Zeitraum der Kraftstoffeinspritzung TOUT gesteuert/geregelt und die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9 werden gemäß der Einstellung der Ventil-Zeitsteuerung aus Schritt 6 gesteuert. Danach wird das vorliegende Programm beendet.
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Wenn die Antwort zur Frage von Schritt 5 eine Bejahung (JA) ist, d. h., wenn sich der Motor 2 im internen EGR-/Aufladungsbereich CI3 befindet, dann wird in einem Schritt S9 der Aufladungsdruck PSC berechnet. Dies geschieht basierend auf einem PSC-Berechnungs-Kennfeld, zu sehen in 8, und zwar gemäß der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE. Im PSC-Berechnungs-Kennfeld wird der Aufladungsdruck PSC auf einen höheren Wert eingestellt, wenn die benötigte Last TE geringer und die Motordrehzahl höher ist. Der Aufladungsdruck PSC wird also auf einen höheren Wert eingestellt, wenn der Interne-EGR-Anteil höher ist.
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Dann wird in einem Schritt S10 ein Sollwert der Öffnung (Öffnungs-Sollwert) BOBJ des Bypass-Ventils 14 von einer BOBJ-Tabelle, nicht auf der Zeichnung zu sehen, abgelesen. Dies geschieht gemäß dem in Schritt S9 berechneten Aufladungsdruck PSC. In der BOBJ-Tabelle wird der Öffnungs-Sollwert BOBJ auf einen kleineren Wert eingestellt, wenn der Aufladungsdruck PSC größer ist.
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Danach wird in einem Schritt S11, ähnlich wie in Schritt S6, die Ventil-Zeitsteuerung der Einlassventile 8 und der Auslassventile 9 gemäß dem in Schritt S4 bestimmten Internen-EGR-Anteil festgelegt.
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Als Nächstes wird in einem Schritt S12 die Solenoidkupplung 12a eingerückt, damit die Aufladung vom Lader 12 ausgeführt werden kann. Zu diesem Zweck wird auch die Öffnung des Bypass-Ventils BPV so gesteuert/geregelt, dass sie der in Schritt S10 berechneten Öffnungs-Sollwert BOBJ entspricht. Dann geht das Programm zu Schritt S8 über. Dabei wird zur Ausführung der CI-Verbrennung die Anlegung von Spannung an die Zündkerze 7 unterbunden und die Drosselklappen-Öffnung TH so gesteuert/geregelt, dass sie ganz geöffnet ist. Während dies geschieht, wird der Zeitraum der Kraftstoffeinspritzung TOUT gesteuert/geregelt. Die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9 werden durch die in Schritt S11 festgelegte Ventil-Zeitsteuerung gesteuert. Danach wird das Programm beendet.
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Wie schon beschrieben wurde, wird der Interne-EGR-Anteil gemäß dem Steuerungs-/Regelungssystem 1 für den Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung 2 der vorliegenden Erfindung so bestimmt, dass er höher ist, wenn die benötigte Last TE geringer und die Motordrehzahl höher ist. Deswegen kann, gemäß der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE, die Temperatur des Gemischs im Verbrennungsraum 2c ausreichend erhöht werden. Wenn die benötigte Last TE geringer und die Motordrehzahl NE zur gleichen Zeit höher ist als die gestrichelte Linie L2, wenn also die frische Luft im Verbrennungsraum 2c aufgrund eines hohen Interne-EGR-Anteils knapp wird, dann wird die Aufladung ausgeführt (verdichtete frische Luft wird den Verbrennungsräumen zugeführt). Dies stellt die für die Selbstzündung benötigte Versorgung mit frischer Luft sicher. Da der Aufladungsdruck PSC auf einen höheren Wert eingestellt wird, wenn der Interne-EGR-Anteil höher ist, d. h., wenn der Grad an Knappheit von frischer Luft höher ist, kann eine adäquate Menge an frischer Luft, die gemäß dem Internen-EGR-Anteil für die Selbstzündung benötigt wird, zur Verfügung gestellt werden. Durch die beschriebenen besonderen Merkmale des Steuerungs-/Regelungssystems 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, den Bereich für die Verdichtungszündung bei Niedriglast auszuweiten, während mit Sicherheit die benötigte Leistung vom Motor 2 gebracht wird.
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9 zeigt ein Flussdiagram eines Steuerungs-/Regelungsvorgangs, der von einem Steuerungs-/Regelungssystem eines Verbrennungsmotors mit Verdichtungszündung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt wird. Wenn man 9 mit 3 vergleicht, ist ersichtlich, dass sich das nun vorliegende Ausführungsbeispiel nur hinsichtlich eines Vorgangs in Schritt S55 in 9 vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet.
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Genauer gesagt, im Schritt S55 wird bestimmt, ob der in Schritt S4 bestimmte Interne-EGR-Anteil gleich wie oder höher als eine Grenze des EGR-Anteils ist. Wenn die Antwort auf die Frage eine Bejahung (JA) ist, d. h., wenn der Interne-EGR-Anteil größer oder gleich der Grenze des EGR-Anteils ist, dann geht das Programm zu Schritt S9 und den folgenden Schritten über, wobei die Aufladung vom Lader 12 ausgeführt wird. Wenn die Antwort auf die Frage dagegen eine Verneinung (NEIN) ist, d. h., wenn der Interne-EGR-Anteil kleiner der Grenze des EGR-Anteils ist, dann geht das Programm zu Schritt S6 und den folgenden Schritten über, wobei die Aufladung unterbunden wird. Die Grenze des EGR-Anteils ist ein Grenzwert des Internen-EGR-Anteils. Jenseits dieses Werts ist es aufgrund eines zu hohen Interne-EGR-Anteils nicht mehr möglich, die benötigte Menge an frischer Luft für die Selbstzündung nur durch die natürliche Einlassluft bereitzustellen. Die Grenze des EGR-Anteils kann auf einen festen vorbestimmten Wert eingestellt werden (z. B. 30%). Es können für die Grenze des EGR-Anteils aber auch Werte eingestellt werden, die von der benötigten Last TE und der Motordrehzahl NE abhängen und die durch Experimente empirisch ermittelt wurden.
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Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel so, dass die für die Selbstzündung benötigte Menge an frischer Luft mit Sicherheit bereitgestellt werden kann, und zwar durch Aufladung des Motors, d. h., durch die Versorgung der Verbrennungsräume mit verdichteter frischer Luft.
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Auf 10 und 11 sieht man ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. 10 zeigt einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung (von nun an schlicht als Motor bezeichnet) 50 mit Zylindern CYL, an denen je zwei Einlassventile, z. B. erstes und zweites Einlassventil IV1 und IV2 und je zwei Auslassventile, z. B. erstes und zweites Auslassventil EV1 und EV2 angeordnet sind. Der Interne-EGR-Anteil wird durch das Ändern der Ventil-Zeitsteuerung des zweiten Auslassventils EV2 gesteuert.
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11 zeigt ein Beispiel der Ventilhubkurven der oben genannten Einlass- und Auslassventile eines Zylinders. Der Zeitpunkt, in dem sich das erste Auslassventil EV1 öffnet, ist auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, kurz bevor der untere Totpunkt im Zylinder erreicht wird. Der Zeitpunkt, in dem sich das erste Auslassventil EV1 schließt, ist auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, kurz nachdem der obere Totpunkt erreicht wurde. Der Zeitpunkt, in dem sich das zweite Auslassventil EV2 öffnet, ist auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, kurz bevor der obere Totpunkt erreicht wird. Der Zeitpunkt, in dem sich das zweite Auslassventil EV2 schließt, ist auf einen Kurbelwellen-Winkel eingestellt, kurz bevor der untere Totpunkt (nach dem genannten oberen Totpunkt) erreicht wurde. Ferner ist der Zeitpunkt, in dem sich das erste und das zweite Einlassventil IV1 und IV2 öffnen, auf einen vorbestimmten Kurbelwellen-Winkel eingestellt, nachdem der obere Totpunkt erreicht wurde. Der Zeitpunkt, in dem sich diese Ventile schließen, ist auf eine Kurbelwellen-Winkel eingestellt, nachdem der untere Totpunkt erreicht wurde. Wie schon beschrieben wurde, wird das zweite Auslassventil EV2 zwischen der Schließung des ersten Auslassventils EV1 und der Öffnung des ersten und zweiten Einlassventils IV1, IV2 geöffnet, wobei Abgase, die erst durch das erste Auslassventil EV1 ausgestoßen wurden, in den Verbrennungsraum 2c als interne EGR zurückgeführt werden können. Dabei kann auch der Interne-EGR-Anteil gesteuert/geregelt werden, indem der Zeitpunkt, in dem das zweite Auslassventil EV2 geschlossen wird, geändert wird, wie man an der gestrichelten Linie ersehen kann. Wenn die Ventil-Zeitsteuerung des zweiten Auslassventils EV2 gemäß dem bestimmten Internen-EGR-Anteil gesteuert wird, dann können die gleichen vorteilhaften Effekte wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
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Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern kann auch anders ausgeführt werden. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Interne-EGR-Anteil z. B. variabel gesteuert/geregelt, indem die Ventil-Zeitsteuerung der Einlass- und Auslassventile 8, 9 durch die elektromagnetischen Ventilmechanismen 10 geändert wird. Der Interne-EGR-Anteil könnte aber auch gesteuert/geregelt werden, indem der Betrag des Ventilhubs der Einlass- und Auslassventile 8, 9 geändert wird. Zudem könnte statt einem Lader 12 auch ein Turbolader zur Aufladung benutzt werden. Ferner können auch andere adäquate Kennwerte zur Anzeige der Betriebsbedingungen des Motors 2 benutzt werden, um den Internen EGR-Anteil zu berechnen, als die benötigte Last TE und die Motordrehzahl NE. Zudem kann die vorliegende Erfindung auch auf den Antriebsmotor eines Schiffs angewendet werden, wie z. B. auf einen Außenbordmotor, bei dem die Kurbelwelle vertikal angeordnet ist.
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Bereitgestellt wird ein Steuerungs-/Regelungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung 2, bei dem der Bereich für die Verdichtungszündung bei Niedriglast erweitert werden kann, während der Motor 2 mit Sicherheit die benötigte Leistung bringt. Die Menge der verbleibenden Abgase wird in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Motors 2 bestimmt, und, basierend auf der bestimmten Menge der verbleibenden Abgase, wird ein Teil der Abgase nach der Verbrennung in jedem Verbrennungsraum 2c zurückgehalten. Es wird, basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors 2, beurteilt, ob Aufladung mit frischer Luft ausgeführt werden sollte, um Selbstzündung herbeizuführen, oder nicht. Wenn beurteilt wurde, dass die Aufladung ausgeführt werden sollte, dann wird die Aufladung des Verbrennungsraums 2c mit frischer Luft ausgeführt.
