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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind
ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, sowie
eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Oberbegriffen der
nebengeordneten Patentansprüche.
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Der
Gesamtwirkungsgrad von Brennkraftmaschinen, wie sie heute in Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden, ist üblicherweise
in solchen Betriebspunkten maximal, die nahe an der Volllast und
bei unteren bis mittleren Drehzahlen liegen. Im Teillastbetrieb
wird die im Brennstoff enthaltene Energie nicht optimal ausgenutzt.
In der Folge ist der Kraftstoffverbrauch höher als an sich nötig wäre. Ein
solcher Teillastbetrieb ist allerdings bei Kraftfahrzeugen mit leistungsstarken
Brennkraftmaschinen der Regelbetrieb.
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Man
kann versuchen, über
eine optimale Auslegung von Handschaltgetrieben und Schaltstrategien
bei automatischen Getrieben, beispielsweise mit stufenloser Übersetzung,
den Betriebspunkt möglichst
dauerhaft im Bereich des optimalen Wirkungsgrads zu halten. Eine
andere Möglichkeit
ist das Konzept des sogenannten „Halbmotorbetriebs". Bei diesem arbeitet
ein Teil der Zylinder mit einer vergleichsweise großen Last
und damit mit einem vergleichsweise guten Wirkungsgrad. Die anderen
Zylinder werden deaktiviert, indem die Einspritzung von Kraftstoff
in diese Zylinder unterbrochen wird. Beispielsweise werden bei einer
8-Zylinder-Brennkraftmaschine vier Zylinder auf diese Weise abgeschaltet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art bereitzustellen, welches einen möglichst emissionsarmen Betrieb
einer Brennkraftmaschine bei gleichzeitig geringem Kraftstoffverbrauch
ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere Lösungen
sind in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Wichtige Merkmale
der Erfindung sind ferner in der Beschreibung und den Figuren angeführt. Dabei
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die offenbarten Merkmale
in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich
sein können, ohne
dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht
den Ausgleich eines nachteiligen Temperaturverlustes in einem abgeschalteten
Zylinder durch einen kurzzeitigen und gegebenenfalls wiederholten „Heizbetrieb". Damit kühlt ein
abgeschalteter Zylinder während
der Zylinderabschaltung weniger stark ab. Endet die Zylinderabschaltung,
ist in dem „vorgewärmten" und nun wieder arbeitenden
Zylinder eine gute Gemischaufbereitung möglich, was wiederum zu geringen
Emissionen und einem günstigen
Kraftstoffverbrauch bei der Brennkraftmaschine führt. Durch die wenigstens im
Wesentlichen drehmomentneutrale Verbrennung des Kraftstoffes wirkt
sich die erfindungsgemäße Maßnahme auf
den Komfort im Betrieb der Brennkraftmaschine nicht oder zumindest
nicht spürbar
aus, und zwar ohne dass bei den nicht abgeschalteten Zylindern der
für den
Wirkungsgrad optimale Betriebspunkt (hohe Last) verlassen werden
muss. Dies wirkt sich günstig
auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine aus. Dabei sei
an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht
nur bei einem Halbmotorbetrieb, sondern beispielsweise auch bei
einer Schubabschaltung Vorteile bringt, und dass das erfindungsgemäße Verfahren bei
Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung ebenso angewendet werden
kann wie bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird frische Verbrennungsluft während
der Zylinderabschaltung nur im Zusammenhang mit jenem Arbeitsspiel
oder jenen Arbeitsspielen, während
dem oder während
denen der Kraftstoff verbrannt wird, in den mindestens einen abgeschalteten
Zylinder eingebracht. Damit wird während eines Großteils der
Zylinderabschaltung die mit dem Ladungswechsel verbundene Arbeit
eingespart oder zumindest reduziert, und es kann, was ebenfalls
vorteilhaft ist, möglichst
viel Restgas im Zylinder eingeschlossen bleiben. Hierdurch wird
die für das
Mitschleppen des abgeschalteten Zylinders notwendige Arbeit verringert
und über
das sich einstellende höhere
Temperaturniveau das Auskühlen
des entsprechenden Zylinderbrennraumes vermindert.
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Dies
kann wiederum besonders einfach dadurch realisiert werden, dass
mindestens ein Einlassventil des mindestens einen abgeschalteten
Zylinders während
der Zylinderabschaltung nur im Zusammenhang mit jenem Arbeitsspiel
oder jenen Arbeitsspielen, während
dem oder denen der Kraftstoff verbrannt wird, geöffnet wird.
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Der
zusätzliche
Kraftstoffverbrauch durch die Einspritzung während der Zylinderabschaltung
ist dann minimal, wenn gerade soviel Kraftstoff und/oder Luft in
den an sich abgeschalteten Zylinder eingebracht wird, dass durch
die Verbrennung des Kraftstoffs ein während vorhergehender Arbeitsspiele
seit der letzten Verbrennung aufgetretener Druck- und/oder Temperaturverlust
wenigstens in etwa ausgeglichen wird. Dies kann auf einfache Weise
dadurch realisiert werden, dass das mindestens eine Einlassventil
des mindestens einen abgeschalteten Zylinders deutlich kürzer geöffnet ist,
als ein entsprechender Ansaugtakt dauert.
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Vorgeschlagen
wird auch, dass mindestens ein Auslassventil des mindestens einen
abgeschalteten Zylinders während
der Zylinderabschaltung ständig
geschlossen bleibt. Damit verbleibt eine maximale Restgasmenge im
Zylinderbrennraum, was wiederum die für das Mitschleppen des deaktivierten
Zylinders notwendige Arbeit und den Temperaturverlust minimiert.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Zeitpunkt einer Einspritzung und/oder Verbrennung von Kraftstoff
in den mindestens einen abgeschalteten Zylinder von einer Temperatur
der Brennkraftmaschine und/oder einer Anzahl von Arbeitsspielen
seit der letzten Verbrennung und/oder einer aktuellen Drehzahl abhängig gemacht.
Dies gestattet es, Temperatur und/oder Druck der Brennkraftmaschine
möglichst
exakt auf einem gewünschten
Niveau zu halten, ohne dass eine unnötig große Anzahl von Einspritzungen
erforderlich ist, was den Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten
unnötig
verschlechtern würde.
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Eine
einfache Möglichkeit
für die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
drehmomentneutrale Verbrennung besteht darin, den eingebrachten
Kraftstoff am Ende eines Expansionstaktes zu verbrennen. Zu diesem
Zeitpunkt befindet sich der Kolben des entsprechenden Zylinders
im Bereich seines unteren Totpunktes, der Hebelarm an der Kurbelwelle
ist also vergleichsweise schlecht und der Zylinderdruck ist vergleichsweise
niedrig. Eine andere Möglichkeit
für eine
drehmomentneutrale Verbrennung besteht darin, einfach eine so geringe
Kraftstoffmenge am Ende eines Kompressionstaktes einzuspritzen,
dass durch deren Verbrennung gerade noch gewisse Leckageverluste
und die Abkühlung
des Brennraums im Schleppbetrieb ausgeglichen, aber kein oder kein nennenswertes
Drehmoment erzeugt wird.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine; und
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
dient zum Antrieb eines in 1 nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst
eine Mehrzahl von Zylindern 11 mit Brennräumen 12,
von denen in 1 der Einfachheit halber nur
zwei dargestellt sind. Die Gesamthut der Zylinder 11 setzt
sich aus einer ersten Teilmenge 14 von Zylindern 11 und
einer zweiten Teilmenge 16 von Zylindern 11 zusammen. Bei
einer Annahme von beispielsweise insgesamt acht Zylindern 11 könnte die
erste Teilmenge 14 vier Zylinder 11 und die zweite
Teilmenge 16 ebenfalls vier Zylinder 11 umfassen.
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Verbrennungsluft
gelangt in die Brennräume 12 jeweils über ein
Einlassventil 18 beziehungsweise 20 und ein Ansaugrohr 22 beziehungsweise 24.
In jedem zu einer Teilmenge 14 beziehungsweise 16 gehörenden Ansaugrohr 22 beziehungsweise 24 ist eine
Drosselklappe 26 beziehungsweise 28 angeordnet.
Kraftstoff gelangt in die Brennräume 12 jeweils direkt über einen
Injektor 30 beziehungsweise 32. Die nachfolgenden
Ausführungen
können
jedoch ebenso auf eine Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung
angewendet werden.
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Jeder
Teilmenge 14 beziehungsweise 16 von Brennräumen 12 ist
bei der vorliegenden Brennkraftmaschine ein als „Rail" bezeichneter Kraftstoffdruckspeicher 34 beziehungsweise 36 zugeordnet,
an den die jeweiligen Injektoren 30 beziehungsweise 32 angeschlossen
sind. Ein in den Brennräumen 12 befindliches
Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer entsprechenden Zündkerze 38 beziehungsweise 40 entflammt,
die heißen
Verbrennungsabgase werden über
Auslassventile 42 beziehungsweise 44 in ein Abgasrohr 46 abgeleitet.
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Die
Einlassventile 18 und 20 und die Auslassventile 42 und 44 sind
mit einem nicht dargestellten variablen Ventiltrieb ausgestattet,
der es ermöglicht,
dass sie vollkommen unabhängig
von der Stellung einer Kurbel- oder Nockenwelle (beides nicht dargestellt)
der Brennkraftmaschine 10 geöffnet und geschlossen werden
können.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 48 gesteuert beziehungsweise geregelt. Diese
erhält
Signale von verschiedenen Sensoren, beispielsweise einem Fahrpedal
des Kraftfahrzeugs, mit dem ein Benutzer einen Drehmomentwunsch äußern kann,
und von Temperatur-, Druck- und sonstigen Sensoren, die den aktuellen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 erfassen.
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Um
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 deren Kraftstoffverbrauch
möglichst
niedrig zu halten, kann, wenn nur eine mittlere Leistung von der Brennkraftmaschine 10 gefordert
wird, die erste Teilmenge 14 von Brennräumen 12 beziehungsweise Zylindern 11 abgeschaltet werden,
indem die Einspritzung von Kraftstoff durch die Injektoren 30 unterbrochen
wird. In diesem Fall wird das Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 nur
noch von der verbleibenden zweiten Teilmenge 16 von Zylindern 11 beziehungsweise
Brennräumen 12 erzeugt,
deren Injektoren 32 weiterhin Kraftstoff direkt einspritzen. Wird
wieder eine höhere
Leistung von der Brennkraftmaschine 10 gefordert, wird
die Einspritzung von Kraftstoff durch die Injektoren 30 in
die Zylinder 11 beziehungsweise Brennräume 12 der ersten
Teilmenge 14 wieder aufgenommen. Wird Kraftstoff in sämtliche
Brennräume 12 der
ersten Teilmenge 14 und der zweiten Teilmenge 16 eingespritzt,
wird dies als „Vollmotorbetrieb" bezeichnet, ist
die Kraftstoffzufuhr dagegen in die erste Teilmenge 14 von
Brennräumen 12 unterbrochen,
wird dies als „Halbmotorbetrieb" bezeichnet.
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Im
Halbmotorbetrieb wird bei der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine 10 jedoch nicht nur die Einspritzung
von Kraftstoff durch die Injektoren 30 unterbrochen, sondern
es werden die Einlassventile 18 und die Auslassventile 42 der
entsprechenden Zylinder 11 der ersten Teilmenge 14 dauerhaft
geschlossen, um die mit dem Ladungswechsel verbundene Arbeit in
der Teilmenge 14 der Zylinder 11 einzusparen.
Außerdem
wird hierdurch eine vergleichsweise große Menge an Restgas in den
Brennräumen 12 der
Zylinder 11 der Teilmenge 14 eingeschlossen. Damit
verringert sich die für
das Mitschleppen der abgeschalteten Zylinder 11 der Teilmenge 14 notwendige
Arbeit, und über
das höhere
Temperaturniveau kühlen
die Zylinder 11 der Teilmenge 14 nur vergleichsweise
wenig ab.
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Da
jedoch die Brennräume 12 der
ersten Teilmenge 14 von Zylindern 11 durch Leckagen
an den Einlassventilen 18, den Auslassventilen 42 und an
in 1 nicht gezeigten Abstreifringen der ebenfalls
nicht gezeigten Kolben nicht gasdicht verschlossen sind, sinken
Mitteldruck und Temperatur in den Brennräumen 12 der ersten
Teilmenge 14 von Zylindern 11 im Halbmotorbetrieb,
also bei abgeschalteten Zylindern 11, allmählich ab.
Hierdurch steigt wiederum die bei einem Arbeitsspiel für die Bewegung der
Kolben der Zylinder 11 der abgeschalteten ersten Teilmenge 14 von
Brennräumen 12 aufzubringende Arbeit,
und die entsprechenden Zylinder 11 kühlen verstärkt ab, was beim Wiedereinschalten
der ersten Teilmenge 14 im Hinblick auf die dann entstehenden Emissionen
von Nachteil sein kann. Um dies zu verhindern, wird gemäß einem
Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf 2 im
Detail erläutert
wird. Dieses Verfahren ist in Form eines Computerprogramms auf einem
Speicher der Steuer- und Regeleinrichtung 48 abgelegt.
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Nach
einem Start in 50 wird in 52 geprüft, ob ein
Abschaltbit B_off den Wert „true" hat. Dies würde bedeuten,
dass von der Steuer- und Regeleinrichtung 48 die Abschaltung
der ersten Teilmenge 14 von Zylindern 11, also
ein Halbmotorbetrieb angeordnet wurde. Ist die Antwort in 52 ja,
wird in 54 ein Zähler
n auf Null gesetzt. Anschließend
wird der Zähler
n in 56 um 1 inkrementiert. In 58 wird geprüft, ob der
Zähler n
größer ist
als ein Grenzwert G. Ist die Antwort in 58 nein, erfolgt
ein Rücksprung
vor 56. Ist die Antwort in 58 dagegen ja, wird
in 60 zum einen der Ventiltrieb der Einlassventile 18 während eines
Ansaugtaktes eines Arbeitsspieles kurzzeitig geöffnet. Die Öffnungsdauer ist dabei deutlich
kürzer
als die Dauer des gesamten Ansaugtaktes. Zum anderen werden die
Injektoren 30 angesteuert, so dass sie eine geringe Menge
an Kraftstoff in die Brennräume 12 der
Zylinder 11 der ersten Teilmenge 14 einspritzen.
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Danach
werden die Zündkerzen 38 so
angesteuert, dass das nun in den Brennräumen 12 der ersten
Teilmenge 14 von Zylindern 11 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch
am Ende des darauffolgenden Expansionstaktes verbrannt wird. Die
Auslassventile 42 bleiben allerdings während des gesamten Halbmotorbetriebs
geschlossen. Durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches am
Ende eines Expansionstaktes wird so gut wie kein Drehmoment erzeugt.
Stattdessen erhöht
sich der Mitteldruck in den Brennräumen 12 der ersten
Teilmenge 14 von Zylindern 11 und auch deren Temperatur.
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Alternativ
kann Kraftstoff in die erste Teilmenge 14 von Zylindern 11 auch
ganz normal am Ende eines Kompressionstaktes eingespritzt und verbrannt
werden. Die Menge ist dann lediglich so gering zu wählen, dass
eben nur Leckage und durch den Schleppbetrieb verursachte Abkühlung ausgeglichen
werden, jedoch kein oder kein nennenswertes Drehmoment erzeugt wird.
Der Vorteil einer solchen Einspritzung und Verbrennung im Kompressionstakt liegt
im besseren Emissionsverhalten aufgrund der in dieser Arbeitsphase
höheren
Temperaturen im Brennraum 12.
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Vom
Block 60 erfolgt ein Rücksprung
vor den Block 52. Wird in 52 festgestellt, dass
das Bit B_off weiterhin den Wert „true" hat, bleiben die Einlassventile 18 geschlossen
und es wird durch die Injektoren 30 kein Kraftstoff eingespritzt,
bis im Block 58 wieder eine bestimmte Anzahl G von Arbeitsspielen überschritten
wird. Es wird also nur im Zusammenhang mit jenem Arbeitsspiel frische
Verbrennungsluft in die Brennräume 12 der
ersten Teilmenge 14 von Zylindern 11 eingebracht,
während
dem einmalig von den Injektoren 30 Kraftstoff eingespritzt
und anschließend
drehmomentneutral verbrannt wird. Ist die Antwort in 52 dagegen
nein, bedeutet dies, dass der Halbmotorbetrieb beendet ist. Es erfolgt
nun also wieder dauerhaft die Zufuhr von Frischluft auch in die Brennräume 12 der
Zylinder 11 der ersten Teilmenge 14, und es wird
in diese Brennräume
auch Kraftstoff durch die Injektoren 30 so eingespritzt,
dass ein normales Drehmoment erzeugt wird. Das Verfahren endet dann
in 62.