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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten in mindestens einem Betriebspunkt eines Kennfeldes einer Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand sowie ein Steuergerät zur Steuerung eines Prüfstands für eine Brennkraftmaschine.
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Steuergeräte für Brennkraftmaschinen umfassen typischerweise eine Drehzahlregelung; sonstige System- und/oder Stellgrößen werden über Kennfelder eingestellt. Ändert sich das konstruktive Konzept einer Brennkraftmaschine, beispielsweise mit Blick auf verschiedene Sensoren, die zusätzlich vorgesehen oder weggelassen werden, oder soll ein Steuergerät zum Betrieb einer vollständig neu entwickelten Brennkraftmaschine eingerichtet werden, ergibt sich bezüglich der Kennfelder ein erheblicher zeit- und kostenintensiver Bedatungsaufwand. Die Bedatung erfolgt häufig manuell am Prüfstand durch einen Prüfstandsfahrer. Ziel der Bedatung der Kennfelder ist es, insbesondere für den späteren Betrieb der Brennkraftmaschine Vorgaben bezüglich der einzuhaltenden Schadstoffemissionen und/oder eines einzuhaltenden Maximal-Brennstoffverbrauchs implementieren zu können, wobei die Brennkraftmaschine durch das Steuergerät dann so betrieben wird, dass die entsprechenden Vorgaben eingehalten werden.
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Aus
AT 518 676 A1 geht ein Verfahren zur Kalibrierung eines technischen Systems, insbesondere eines Verbrennungsmotors, hervor, wobei eine bestimmte Vorgehensweise vorgeschlagen wird, um eine Datenhülle um ein Kennfeld zu modellieren. Verfahren zur Ermittlung von Motor-Kennfeldern beziehungsweise zur Applikation von Steuergeräten eines Verbrennungsmotors gehen auch aus Kuder, J. [et al.]: Parameteroptimierung an Ottomotoren mit Direkteinspritzung, In: MTZ, Ausgabe 61, 2000, S. 380-381 - ISSN 0024-8525; und Unland, S. [et al.]: Neue effiziente Applikationsverfahren für die physikalisch basierte Motorsteuerung ME7, In: MTZ, Ausgabe 59, 1998, S. 748-749 - ISSN 0024-8525 hervor. Aus
DE 10 2009 024 544 A1 geht ein Verfahren zur automatisierten Bedatung eines Ottomotors hervor. Aus
DE 10 2017 003 547 A1 geht ein Verfahren zum überstöchiometrischen Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine hervor. Aus
DE 100 00 872 A1 geht ein Verfahren zur Einstellung eines Betriebs eines Verbrennungsmotors hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten in mindestens einem Betriebspunkt eines Kennfeldes einer Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand sowie ein Steuergerät zur Steuerung eines Prüfstands für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten in mindestens einem Betriebspunkt eines Kennfeldes einer Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand geschaffen wird, bei dem ein erster Betriebspunkt in dem Kennfeld ausgewählt wird. Die Brennkraftmaschine wird in dem ersten Betriebspunkt betrieben. Dabei wird a) ein Brennraumspitzendruck-Sollwert für einen Brennraumspitzendruck schrittweise reduziert, bis ein erster Betriebsparameter der Brennkraftmaschine jenseits eines ersten vorbestimmten Grenzwerts liegt. Für jeden Veränderungsschritt der schrittweisen Reduktion des Brennraumspritzendruck-Sollwerts wird dabei ein jeweiliger Einstellwert für den Brennraumspitzendruck-Sollwert und ein sich jeweils ergebender Verbrauchswert und/oder Emissionswert gespeichert. Es wird dann b) der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zuletzt erreichten Brennraumspitzendruck-Sollwert fortgesetzt, bei dem der erste Betriebsparameter noch nicht jenseits des ersten vorbestimmten Grenzwerts lag. Sodann wird c) ein Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert für einen Verbrennungsschwerpunkt schrittweise nach früh verschoben, bis ein zweiter Betriebsparameter der Brennkraftmaschine jenseits eines zweiten vorbestimmten Grenzwerts liegt. Für jeden Veränderungsschritt der schrittweisen Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts werden ein jeweiliger Einstellwert für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert und ein sich jeweils ergebender Verbrauchswert und/oder Emissionswert gespeichert. Sodann wird d) der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zuletzt erreichten Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert fortgesetzt, bei dem der zweite Betriebsparameter noch nicht jenseits des zweiten vorbestimmten Grenzwerts lag. Schließlich wird e) der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert schrittweise nach spät verschoben, bis ein dritter Betriebsparameter der Brennkraftmaschine jenseits eines dritten vorbestimmten Grenzwerts liegt, wobei für jeden Veränderungsschritt ein jeweiliger Einstellwert für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert und ein sich jeweils ergebender Verbrauchswert und/oder Emissionswert gespeichert werden.
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Auf diese Weise ist es einfach und schnell automatisiert möglich, für den eingestellten Betriebspunkt des Kennfelds diejenigen Verbrauchswerte und/oder Emissionswerte zu ermitteln, die sich unter Variation zumindest der wichtigsten System- und/oder Stellgrößen ergeben können. Nach entsprechender Bedatung des Kennfelds mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann dann im späteren Betrieb der Brennkraftmaschine ein einzuhaltender, insbesondere maximaler Verbrauchswert und/oder Emissionswert vorgegeben werden, wobei dann anhand des bedateten Kennfelds die System- und/oder Stellgrößen für den momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine so gewählt werden können, dass die jeweilige Vorgabe mit Bezug auf den Verbrauchs- und/oder Emissionswert eingehalten wird.
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Das Verfahren ist dabei sehr effizient und kann insbesondere vorteilhaft für jeden Betriebspunkt in dem Kennfeld in maximal 15 Minuten durchgeführt werden. Eine Regelung, welche die Stellgrößen der Brennkraftmaschine entsprechend der vorgegebenen, betriebspunktabhängigen Sollgrößen generiert, ist vorteilhaft in dem zu bedatenden Steuergerät der Brennkraftmaschine bereits vorhanden. Mithilfe des Verfahrens wird bevorzugt erreicht, dass die geltenden Emissionsvorschriften insbesondere für Nonroad-Anwendungen in einem definierten Prüfzyklus, beispielsweise C1 nach ISO 8178 Teil 4, eingehalten werden. Insbesondere durch Berücksichtigung der vorbestimmten Grenzwerte wird bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren auch der relevante Bauteilschutz für die Brennkraftmaschine mit Bezug insbesondere auf Abgastemperatur, Brennraumdruckgradient und Brennraumspitzendruck berücksichtigt. Das Verfahren stellt insgesamt eine sehr effiziente Methode bereit, welche eine schnelle Inbetriebnahme und Bedatung der Brennkraftmaschine ermöglicht, wobei optimale Werte für Betriebspunkte mit Blick auf gestellte Anforderungen in Hinblick auf Emissionen und/oder Verbrauch je nach Anwendung und Motorkonzept schnell und bevorzugt in Echtzeit am Prüfstand ermittelt werden können.
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Das Kennfeld der Brennkraftmaschine wird im Rahmen der vorliegenden technischen Lehre insbesondere aufgespannt durch eine Drehzahl der Brennkraftmaschine einerseits und ein Drehmoment der Brennkraftmaschine andererseits.
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Ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in dem Kennfeld ist somit gekennzeichnet durch eine bestimmte Kombination von Werten einerseits für die Drehzahl und andererseits für das Drehmoment. Während der Schritte a) bis e) wird der jeweils gewählte Betriebspunkt konstant gehalten, d.h. die als Betriebspunkt ausgewählten Werte für einerseits das Drehmoment und andererseits die Drehzahl werden nicht verändert.
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Unter einem Einstellwert wird hier insbesondere ein Wert eines Betriebsparameters, insbesondere einer System- und/oder einer Stellgröße der Brennkraftmaschine verstanden, der eingestellt wird, um den jeweils vorgegebenen Sollwert, das heißt insbesondere je nach Schritt den Brennraumspitzendruck-Sollwert oder den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert, einzustellen. Der Einstellwert kann aber in einer Ausgestaltung des Verfahrens auch der jeweilige Sollwert selbst sein.
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Unter einem Verbrauchswert wird insbesondere ein momentaner Brennstoffverbrauch, insbesondere bezogen auf eine Zeiteinheit oder eine - gegebenenfalls virtuell errechnete - Strecke, verstanden.
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Unter einem Emissionswert wird hier insbesondere eine Schadstoffkonzentration oder Partikelkonzentration, insbesondere Stickoxidkonzentration oder Rußkonzentration, im Abgas verstanden. Besonders bevorzugt ist der Emissionswert eine Stickoxidkonzentration im Abgas.
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Unter einem sich jeweils ergebenden Verbrauchs- und/oder Emissionswert wird hier insbesondere ein solcher Verbrauchs- und/oder Emissionswert verstanden, der sich bei dem jeweils vorgegebenen Sollwert, das heißt je nach Schritt dem Brennraumspitzendruck-Sollwert oder dem Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert, beziehungsweise bei dem jeweils eingestellten Einstellwert ergibt. Durch die jeweilige Speicherung des Einstellwerts, des Verbrauchswerts und/oder des Emissionswerts ergibt sich somit eine Zuordnung des Verbrauchswerts und/oder Emissionswerts zu dem jeweiligen Einstellwert und zugleich zu dem jeweiligen Sollwert.
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Bei dem ersten Betriebsparameter, dem zweiten Betriebsparameter und dem dritten Betriebsparameter kann es sich grundsätzlich um den gleichen Betriebsparameter, aber auch um verschiedene Betriebsparameter handeln. Insbesondere werden bevorzugt in jedem Schritt des Verfahrens, insbesondere auch in jedem Veränderungsschritt, eine Mehrzahl von Betriebsparametern daraufhin überprüft, ob für diese Betriebsparameter vorgegebene Grenzwerte erreicht oder überschritten werden, wobei die schrittweise Veränderung des Sollwerts jeweils beendet und das Verfahren mit dem nächsten Verfahrensschritt fortgesetzt wird, wenn einer der betrachteten Betriebsparameter den ihm zugeordneten Grenzwert überschreitet. Insoweit sind der erste Betriebsparameter, der zweite Betriebsparameter und der dritte Betriebsparameter jeweils in den jeweiligen Verfahrensschritten diejenigen Betriebsparameter, die zeitlich zuerst den ihnen zugeordneten Grenzwert überschreiten. Entsprechend sind der erste vorbestimmte Grenzwert, der zweite vorbestimmte Grenzwert und der dritte vorbestimmte Grenzwert jeweils die den entsprechenden Betriebsparametern zugeordneten Grenzwerte. Dabei können der erste vorbestimmte Grenzwert, der zweite vorbestimmte Grenzwert und der dritte vorbestimmte Grenzwert auch Grenzwerte desselben Betriebsparameters sein.
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Dass ein Betriebsparameter jenseits eines Grenzwerts liegt bedeutet, dass der Grenzwert ausgehend von den zuvor im Betrieb der Brennkraftmaschine vorliegenden Werten für den Betriebsparameter transzendiert wird. Dass der Grenzwert in diesem Sinne transzendiert oder „überschritten“ wird bedeutet nicht zwingend, dass der jeweilige Betriebsparameter einen Wert annimmt, der größer ist als der zugeordnete Grenzwert, vielmehr bedeutet dies, dass der Grenzwert ausgehend von einem zulässigen Wertebereich für den Betriebsparameter in Richtung eines unzulässigen Wertebereichs für den Betriebsparameter überschritten wird. Dies kann gegebenenfalls auch bedeuten, dass der Betriebsparameter kleiner wird als der vorbestimmte Grenzwert, abhängig von dem jeweils betrachteten Betriebsparameter und Grenzwert.
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Unter einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts-Sollwerts „nach früh“ wird hier insbesondere verstanden, dass der Verbrennungsschwerpunkt zeitlich nach vorne oder zu kleineren Kurbelwellenwinkeln innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine verschoben wird. Entsprechend wird unter einer Verschiebung „nach spät“ verstanden, dass der Verbrennungsschwerpunkt zeitlich nach hinten oder zu größeren Kurbelwellenwinkeln innerhalb des Arbeitsspiels verschoben wird.
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Unter dem Verbrennungsschwerpunkt wird insbesondere ein Zeitpunkt oder ein Kurbelwellenwinkel verstanden, bei dem 50 % der eingesetzten Brennstoffmasse oder 50 % der in Form des Brennstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebrachten chemischen Energie umgesetzt sind. Dass der Verbrennungsschwerpunkt nach früh verändert wird, bedeutet insbesondere, dass er relativ zu einer oberen Totpunktlage eines Kolbens der bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, die einen Kompressionstakt von einem Arbeitstakt trennt, und die auch als Zünd-OT bezeichnet wird, in Richtung eines früheren Zeitpunkts oder eines früheren Kurbelwellenwinkels verändert wird; insbesondere wird er näher an den Zünd-OT heranverlegt, wenn der Verbrennungsschwerpunkt zeitlich nach dem Zünd-OT liegt. Entsprechend bedeutet eine Veränderung des Verbrennungsschwerpunkts nach spät, dass der Verbrennungsschwerpunkt relativ zu dem Zünd-OT in Richtung eines späteren Zeitpunkts oder späteren Kurbelwellenwinkels verschoben wird, wobei er insbesondere weiter von dem Zünd-OT entfernt wird, wenn der Verbrennungsschwerpunkt zeitlich nach dem Zünd-OT liegt. Der Verbrennungsschwerpunkt ist typischerweise assoziiert mit einem Einspritzzeitpunkt, insbesondere Einspritzbeginn, insbesondere kann er durch Wahl des Einspritzzeitpunkts vorgegeben werden. Eine Verstellung des Verbrennungsschwerpunkts nach früh oder spät kann insbesondere durch Veränderung des Einspritzzeitpunkts bewirkt werden. Dabei korrespondiert eine Veränderung des Einspritzzeitpunkts nach früh oder spät in analoger Weise mit einer Veränderung des Verbrennungsschwerpunkts nach früh oder spät, wobei allerdings der Einspritzbeginn typischerweise vor dem Zünd-OT liegt. Somit bedeutet eine Veränderung des Einspritzbeginns nach früh eine Vergrößerung der Entfernung des Einspritzzzeitpunkts von dem Zünd-OT, wobei eine Veränderung des Einspritzbeginns nach spät eine Annäherung des Einspritzzeitpunkts an den Zünd-OT bedeutet.
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Die Begriffe „Zeit“ und „Winkel“, letzteres im Sinne von Kurbelwellenwinkel, werden hier im Rahmen der vorliegenden technischen Lehre synonym verwendet. Wenn beispielsweise von einem Einlassventil-Schließzeitpunkt die Rede ist, ist insoweit stets insbesondere ein Einlassventil-Schließwinkel im Sinne des entsprechenden Kurbelwellenwinkels innerhalb eines Arbeitszyklus gemeint.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine vor dem Schritt a) und in den Schritten b) und d) jeweils für ein vorbestimmtes Zeitintervall unter konstanten Bedingungen betrieben wird. Dies ermöglicht jeweils eine Stabilisierung des Betriebs der Brennkraftmaschine unter den jeweiligen Betriebsbedingungen, wodurch gewährleistet wird, dass aussagekräftige Werte für das Kennfeld insbesondere unter Ausschluss transienter Effekte erhalten werden können.
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Ein konstanter Betrieb der Brennkraftmaschine bedeutet dabei insbesondere, dass zumindest eine Mehrzahl von Betriebsparametern, vorzugsweise alle Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, konstant gehalten werden.
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Insbesondere werden bevorzugt vor dem Schritt a) sowie in den Schritten b) und d) jeweils ein Einlass-Luftdruck, der Brennraumspitzendruck-Sollwert und der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert konstant gehalten. Dabei stellen sich vorzugsweise konstante Werte für einen Brennraumdruckgradient und eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine ein.
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Der Einlass-Luftdruck ist insbesondere ein stromaufwärts eines Einlassventils der Brennkraftmaschine anstehender Verbrennungsluftdruck, insbesondere ein Ladedruck.
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Der Einlass-Luftdruck wird vorzugsweise eingestellt, besonders bevorzugt geregelt, durch Ansteuerung eines Turbinenbypass-Durchtrittsquerschnitts, insbesondere eines Turbinenbypass-Klappenwinkels, als Stellgröße.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine auch nach dem Schritt e) für ein vorbestimmtes Zeitintervall unter konstanten Bedingungen betrieben wird. Auch hierbei ergibt sich vorteilhaft eine Stabilisierung des Laufs der Brennkraftmaschine, insbesondere unter Einstellung von Werten für den Brennraumdruckgradient und die Abgastemperatur.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in jedem der Schritte a) bis e) der Einlass-Luftdruck konstant gehalten wird. Insbesondere dies ermöglicht eine stabile, reproduzierbare und aussagekräftige Durchführung des Verfahrens.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) zusätzlich der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert konstant gehalten wird. Zusätzlich wird in den Schritten c) und e) der Brennraumspitzendruck-Sollwert konstant gehalten. Auch dies ermöglicht eine stabile, zuverlässige und reproduzierbare Durchführung des Verfahrens.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Betriebsparameter, der zweite Betriebsparameter und der dritte Betriebsparameter jeweils ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Brennraumspitzendruck, einem Einlassventil-Schließzeitpunkt, einem Verbrennungsschwerpunkt, einem Einspritzbeginn, einer Abgastemperatur, einem Brennraumdruckgradien,t und einem Brennstoffverbrauch. Insbesondere diese Betriebsparameter sind aussagekräftig und relevant für die Frage, wann die schrittweise Veränderung eines Sollwerts abgebrochen werden soll, insbesondere um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine gerade auch in Hinblick auf den Bauteilschutz zu gewährleisten.
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Bevorzugt wird zumindest eine Mehrzahl, vorzugsweise jeder der hier als Gruppenmitglieder genannten Betriebsparameter in jedem Schritt des Verfahrens, insbesondere in jedem Veränderungsschritt, auf Überschreiten eines zugeordneten Grenzwerts überwacht. Das schrittweise Verändern in den einzelnen Verfahrensschritten wird dabei stets dann abgebrochen, wenn ein zeitlich erster Betriebsparameter, ausgewählt aus den Gruppenmitgliedern, den ihm zugeordneten Grenzwert überschreitet.
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Es hat sich herausgestellt, dass in Schritt a) typischerweise die Abgastemperatur als erster Betriebsparameter den ihr zugeordneten Grenzwert überschreitet. Der erste vorbestimmte Grenzwert ist demnach typischerweise ein Abgastemperatur-Grenzwert, und der erste Betriebsparameter ist vorzugsweise die Abgastemperatur.
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Es hat sich herausgestellt, dass typischerweise in dem Schritt c) als erstes der Brennraumdruckgradient den ihm zugeordneten Grenzwert überschreitet. Der zweite Betriebsparameter ist somit bevorzugt der Brennraumdruckgradient, und der zweite vorbestimmte Grenzwert ist insbesondere ein Brennraumdruckgradient-Grenzwert.
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Es hat sich herausgestellt, dass in Schritt e) typischerweise zuerst der Brennstoffverbrauch den ihm zugeordneten Grenzwert überschreitet. Der dritte Betriebsparameter ist daher typischerweise der Brennstoffverbrauch, und der dritte vorbestimmte Grenzwert ist typischerweise ein Brennstoffverbrauch-Grenzwert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Schritten a), c) und e) zusätzlich in jedem Veränderungsschritt jeweils ein Wert für mindestens einen Betriebsparameter gespeichert wird, wobei der mindestens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Dem Brennraumspitzendruck, dem Einlassventil-Schließzeitpunkt, dem Verbrennungsschwerpunkt, dem Einspritzbeginn, der Abgastemperatur, dem Brennraumdruckgradient, und dem Brennstoffverbrauch. Somit ergibt sich insbesondere eine umfangreichen Bedatung des Kennfelds, sodass bei einem späteren Betrieb der Brennkraftmaschine zielgenau System- und Stellgrößen ausgewählt werden können, um die Vorgaben bezüglich der Emission und/oder des Brennstoffverbrauchs einzuhalten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein zweiter Betriebspunkt in dem Kennfeld ausgewählt wird, wobei die Brennkraftmaschine in dem zweiten Betriebspunkt betrieben wird, und wobei die Schritte a) bis e) für den zweiten Betriebspunkt durchgeführt werden. Das hier vorgeschlagene Verfahren wird also in bevorzugter Ausgestaltung nicht nur für einen Betriebspunkt des Kennfelds durchgeführt, sondern zumindest für zwei Betriebspunkte.
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Bevorzugt wird die Auswahl eines Betriebspunkts, das Betreiben der Brennkraftmaschine in dem ausgewählten Betriebspunkt und das Durchführen der Schritte a) bis e) für eine Mehrzahl von Betriebspunkten wiederholt. Auf diese Weise wird das Verfahren vorteilhaft für eine Vielzahl von Betriebspunkten in dem Kennfeld durchgeführt, sodass das Kennfeld auf einfache, effiziente und kostengünstige Weise in großem Umfang, vorzugsweise vollständig, bedatet wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden die Auswahl eines Betriebspunkts, das Betreiben der Brennkraftmaschine in dem ausgewählten Betriebspunkt und das Durchführen der Schritte a) bis e) für eine vorbestimmte Anzahl von Betriebspunkten wiederholt, wobei die vorbestimmte Anzahl von Betriebspunkten insbesondere durch einen vorbestimmten Prüfzyklus, beispielsweise den C1-Prüfzyklus nach ISO 8178 Teil 4, vorgegeben ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Veränderung des Brennraumspitzendruck-Sollwerts in Schritt a) umgesetzt wird, indem der Einlassventil-Schließzeitpunkt verändert wird. Insoweit ist insbesondere der Einlassventil-Schließzeitpunkt in bevorzugter Ausgestaltung der Einstellwert in dem Schritt a).
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Alternativ oder zusätzlich wird die Veränderung des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts in den Schritten c) und e) umgesetzt, indem ein Einspritzbeginn verändert wird. Insoweit ist der Einspritzbeginn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Einstellwert in den Schritten c) und e).
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Die hier vorgeschlagenen Betriebsparameter beziehungsweise Stellgrößen sind jeweils besonders geeignet zur Einstellung der entsprechenden Sollwerte.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Steuergerät zur Steuerung eines Prüfstands für die Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei das Steuergerät eingerichtet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. In Zusammenhang mit dem Steuergerät ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Das hier vorgeschlagene Steuergerät ist ein Prüfstands-Steuergerät, das eingerichtet ist zur Steuerung des Prüfstands. Davon zu unterscheiden ist ein jeweils zu bedatendes Steuergerät für den Betrieb der Brennkraftmaschine, das im Unterschied zu dem Prüfstands-Steuergerät auch als Brennkraftmaschinen-Steuergerät bezeichnet wird.
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Die relevanten Kennfelder werden insbesondere mithilfe des Prüfstands-Steuergeräts bedatet. Die derart bedateten Kennfelder werden dann später in dem Brennkraftmaschinen-Steuergerät zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prüfstands für eine Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prüfstands 1, auf dem eine Brennkraftmaschine 3 angeordnet ist. Der Prüfstand 1 ist insbesondere eingerichtet, um automatisiert Verbrauchs- und/oder Emissionswerte in mindestens einem Betriebspunkt eines Kennfelds der Brennkraftmaschine 3, insbesondere in einer Mehrzahl von Betriebspunkten des Kennfelds, zu bestimmen. Insbesondere weist der Prüfstand 1 ein Steuergerät 5, das heißt ein Prüfstands-Steuergerät, auf, das eingerichtet ist, um eine im Folgenden näher erläuterte Ausführungsform eines Verfahrens zum automatisierten Bestimmen von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten in mindestens einem Betriebspunkt, insbesondere einer Mehrzahl von Betriebspunkten, des Kennfelds durchzuführen. Die Brennkraftmaschine 3 weist wenigstens einen Brennraum 7 auf. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 3 als Einzylinder-Versuchsmotor ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 3 kann aber auch eine in Serie gefertigte Brennkraftmaschine sein, die auf dem Prüfstand 1 betrieben wird, insbesondere um zur späteren Verwendung im Serienbetrieb der Brennkraftmaschine 3 anzuwendende Daten zu erfassen.
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Die Brennkraftmaschine 3 ist insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet. Insoweit ist dem Brennraum 7 ein hubbeweglich verlagerbarer Kolben 9 zugeordnet. Weiter sind dem Brennraum 7 ein Einlasspfad 11 mit einem Einlassventil 13 zum Zuführen von Verbrennungsluft in den Brennraum 7, sowie ein Auslasspfad 15 mit einem Auslassventil 17 zum Abführen von Abgas zugeordnet.
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Dem Einlassventil 13 ist ein variabler Ventiltrieb zugeordnet, sodass ein Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES für das Einlassventil 13 variabel vorgegeben werden kann. Hierfür ist das Steuergerät 5 bevorzugt in nicht dargestellter Weise mit dem variablen Ventiltrieb des Einlassventils 13 wirkverbunden. Es ist möglich, dass zusätzlich dem Auslassventil 17 ebenfalls ein variabler Ventiltrieb zugeordnet ist.
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Dem Brennraum 7 ist außerdem ein Brennstoffinjektor 19 zur Zufuhr von Brennstoff in den Brennraum 7, insbesondere zur Direkteinbringung, insbesondere Direkteinspritzung oder Direkteindüsung, zugeordnet. Das Steuergerät 5 ist in nicht ausdrücklich dargestellter Weise mit dem Brennstoffinjektor 19 wirkverbunden, um einen Einspritzbeginn BOI (begin of injection) vorzugeben.
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Dem Einlasspfad 11 ist ein hier nicht dargestellter, mit dem Steuergerät 5 wirkverbundener Drucksensor zugeordnet, um einen Einlassluftdruck p5 zu bestimmen. Dieser Drucksensor ist auch mit dem Steuergerät 5 wirkverbunden.
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Dem Brennraum 7 ist ein hier ebenfalls nicht dargestellter Brennraumdrucksensor zugeordnet, um einen Brennraumdruck, insbesondere zeitaufgelöst, zu bestimmen. Auch dieser Brennraumdrucksensor ist mit dem Steuergerät 5 wirkverbunden. Das Steuergerät 5 ist insbesondere eingerichtet, um aus dem bevorzugt zeitaufgelöst erfassten Brennraumdruck einen Brennraumspitzendruck pmax sowie einen zeitlichen Brennraumdruckgradienten dp/dt zu bestimmen.
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Dem Auslasspfad 15 ist ein hier nicht dargestellter Temperatursensor zugeordnet, der ebenfalls mit dem Steuergerät 5 wirkverbunden ist, um eine Abgastemperatur TAbgas zu bestimmen.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist einen Abgasturbolader 21 mit einer in dem Abgaspfad 15 angeordneten Turbine 23 und einem in dem Einlasspfad 11 angeordneten Verdichter 25 auf, wobei die Turbine 23 mit dem Verdichter 25 antriebswirkverbunden ist. Um die Turbine 23 ist ein Turbinenbypass 27 mit einer verstellbaren Bypassklappe 29 angeordnet, wobei die Bypassklappe 29 mit dem Steuergerät 5 in hier nicht dargestellter Weise wirkverbunden ist, sodass das Steuergerät 5 einen Bypassklappenwinkel αTBP vorgeben kann. Der Bypassklappenwinkel αTBP bestimmt insbesondere den Einlass-Luftdruck p5.
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Das Steuergerät 5 ist außerdem eingerichtet, um einen momentanen Brennstoffverbrauch be zu bestimmen. Dies kann über einen geeigneten Sensor geschehen, oder rechnerisch beispielsweise über die in dem Steuergerät 5 bekannte Ansteuerung des Brennstoffinjektors 19.
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2 zeigt verteilt über die 2A, 2B, 2C und 2D eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum automatisierten Bestimmen von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten in einem Betriebspunkt eines Kennfelds der Brennkraftmaschine 3 auf dem Prüfstand 1. Die im folgenden dargestellten Verfahrensschritte werden bevorzugt für eine Mehrzahl von Betriebspunkten nacheinander durchgeführt, d.h. insbesondere wiederholt, insbesondere für eine vorbestimmte Anzahl vorgegebener Betriebspunkte, wobei die Betriebspunkte insbesondere vorgegeben sind durch einen Prüfzyklus.
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Zunächst wird im Rahmen des Verfahrens ein erster Betriebspunkt in dem Kennfeld ausgewählt, und die Brennkraftmaschine 3 wird in dem ersten Betriebspunkt betrieben.
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Dabei wird im Start des Verfahrens, in einer Phase 0, ein Motorlauf zur Stabilisierung des Motors durchgeführt, wobei die Brennkraftmaschine 3 für ein vorbestimmtes Zeitintervall unter konstanten Bedingungen betrieben wird. Insbesondere werden ein Einlass-Luftdruck-Sollwert p5,soll, ein Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll, und ein Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll konstant gehalten. Als Stellgröße für den Einlass-Luftdruck p5 dient - wie bereits ausgeführt - der Bypassklappenwinkel αTBP, als Stellgröße für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll dient der Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES; als Stellgröße für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert dient der Einspritzbeginn BOI. Unter diesen Bedingungen erhält man Messwerte für den Brennraumdruckgradient dp/dt sowie die Abgastemperatur TAbgas.
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Die Initialwerte für den Einlass-Luftdruck-Sollwert p5,soll, den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll und den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll können insbesondere fest vorgegeben sein oder nach geeigneten Kriterien zu Beginn des Verfahrens ausgewählt werden. Es ist auch möglich, dass diese Werte durch einen Prüfstandsfahrer manuell vorgegeben werden.
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Das Verfahren wird dann nach dem vorbestimmten Zeitintervall für die Phase 0 in einer Phase 1 fortgesetzt, die dem Schritt a) des Verfahrens entspricht. Hierbei wird der Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll variiert, nämlich schrittweise reduziert, insbesondere indem der Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES schrittweise nach früh verschoben wird. Der Einlass-Luftdruck-Sollwert p5,soll und der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll werden weiterhin konstant gehalten.
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Für jeden Veränderungsschritt wird dabei geprüft, ob einer der folgenden Betriebsparameter einen ihm zugeordneten vorbestimmten Grenzwert transzendiert, insbesondere ob der Brennraumspitzendruck pmax einen vorbestimmten Brennraumspitzendruck-Grenzwert pmax,max überschreitet, ob der Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES einen frühesten, insoweit minimalen Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES,min unterschreitet, ob die Abgastemperatur TAbgas einen vorbestimmten Abgastemperatur-Grenzwert TAbgas,max überschreitet, und ob der Brennraumdruckgradient dp/dt einen vorbestimmten Brennraumdruckgradient-Grenzwert dp/dt,max überschreitet.
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Die Veränderung des Brennraumspitzendruck-Sollwerts pmax,soll wird solange fortgesetzt, bis ein erster Betriebsparameter dieser Betriebsparameter jenseits des ihm zugeordneten ersten vorbestimmten Grenzwerts liegt. Für jeden Veränderungsschritt wird dabei ein jeweiliger Einstellwert für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll, d.h. der Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll selbst und/oder der entsprechende Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES, vorzugsweise beide, gespeichert, außerdem wird für jeden Veränderungsschritt ein sich jeweils ergebender momentaner Verbrauchswert be sowie wenigstens ein Emissionswert, hier insbesondere eine Stickoxidkonzentration [NOx] im Abgas gespeichert. Außerdem werden bevorzugt für jeden Veränderungsschritt die Abgastemperatur TAbgas und der Brennraumdruckgradient dp/dt gespeichert.
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In diesem ersten Schritt a), also in Phase 1, wird voraussichtlich zuerst der Abgastemperatur-Grenzwert TAbgas,max erreicht und überschritten. Ist dies der Fall, und oder transzendiert einer der anderen überwachten Betriebsparameter den ihm jeweils zugeordneten Grenzwert, wird Phase 1 mit der Variation des Brennraumspitzendruck-Sollwerts pmax, soll und damit zugleich auch des Brennraumspitzendrucks pmax beendet, und das Verfahren wird in einem Schritt b) fortgesetzt, indem die Brennkraftmaschine 3 mit dem zuletzt erreichten Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll und somit zugleich dem zuletzt erreichten Einlassventil-Schließzeitpunkt phiES fortgesetzt wird, bei dem noch keiner der vorbestimmten Grenzwerte für die überwachten Betriebsparameter transzendiert war. Es wird also insbesondere ein Veränderungsschritt, nämlich der letzte Veränderungsschritt, mit dem der erste vorbestimmte Grenzwert transzendiert wurde, rückgängig gemacht, und die Brennkraftmaschine 3 wird mit den in dem vorletzten Veränderungsschritt erreichten Werten für die Betriebsparameter weiterbetrieben.
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Das Verfahren wird nun gemäß 2B in einer Phase 12 in Schritt b) fortgesetzt, wobei die Brennkraftmaschine 3 wiederum für ein vorbestimmtes Zeitintervall unter konstanten Bedingungen betrieben wird. Dabei entsprechen die konstanten Bedingungen insbesondere den zuvor für Phase 0 erläuterten Bedingungen, wobei nun als konstanter Wert für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll der in Phase 1, d.h. Schritt a), zuletzt erreichte Wert verwendet wird.
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Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls für Schritt b) wird das Verfahren in einer Phase 2, d.h. in Schritt c) fortgesetzt. Hier werden nun der Einlass-Luftdruck-Sollwert p5,soll und der Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll konstant gehalten, wobei wiederum für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll der in Phase 1, d.h. Schritt a), erreichte Wert verwendet wird. Es wird nun schrittweise der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll nach früh verschoben, insbesondere indem als Stellgröße der Einspritzbeginn BOI nach früh verschoben wird. Für jeden Veränderungsschritt werden Werte für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll und/oder den Einspritzbeginn BOI, vorzugsweise für beide, für den Verbrauchswert be, den Emissionswert, hier die Stickoxidkonzentration [NOx], sowie vorzugsweise die Abgastemperatur TAbgas und den Brennraumdruckgradienten dp/dt gespeichert.
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Zugleich werden in jedem Veränderungsschritt die Betriebsparameter für Verbrennungsschwerpunkt phi50, Einspritzbeginn BOI, Abgastemperatur TAbgas und Brennraumdruckgradient dp/dt auf Transzendierung eines ihnen jeweils zugeordneten Grenzwerts überwacht. Dabei wird hier insbesondere überwacht, ob der Verbrennungsschwerpunkt phi50 einen ihm zugeordneten frühesten Verbrennungsschwerpunkt-Grenzwert oder minimalen Verbrennungsschwerpunkt-Grenzwert phi50,min unterschreitet, oder ob der Einspritzbeginn BOI einen ihm zugeordneten frühesten Einspritzbeginn oder Einspritzbeginn-Grenzwert BOI,min unterschreitet.
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Die schrittweise Veränderung des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts phi50,soll wird beendet, wenn ein zweiter Betriebsparameter erstmals jenseits eines zweiten vorbestimmten Grenzwerts liegt. Bei dem Schritt c) überschreitet voraussichtlich zuerst der Brennraumdruckgradient dp/dt den ihm zugeordneten Brennraumdruckgradient-Grenzwert dp/dt,max.
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In diesem Fall wird das Verfahren in dem Schritt d) fortgesetzt, wobei die Phase 2 beendet wird. Somit wird auch die Variation des Verbrennungsschwerpunkts phi50 nach früh beendet.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 3 wird dann fortgesetzt mit dem zuletzt erreichten Wert des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts phi50,soll und damit zugleich dem zuletzt erreichten Wert des Einspritzbeginns BOI, bei dem noch keiner der Betriebsparameter den ihm jeweils zugeordneten Grenzwert transzendiert hatte. Es wird also wiederum - wie bereits zuvor erläutert - ein letzter Veränderungsschritt rückgängig gemacht.
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Das Verfahren wird dann gemäß 2C in einer Phase 23, d.h. Schritt d), fortgesetzt, wobei die Brennkraftmaschine 3 wiederum für ein vorbestimmtes Zeitintervall unter konstanten Bedingungen betrieben wird. Dabei werden wiederum die zuvor bereits in Zusammenhang mit Phase 0 und Phase 12 genannten Betriebsparameter konstant gehalten, wobei nun einerseits für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll der in Phase 1, Schritt a), erreichte Wert verwendet wird, wobei andererseits für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll der in Phase 2/Schritt c) erreichte Wert verwendet wird. Dabei stellen sich wiederum Messwerte für den Brennraumdruckgradienten dp/dt und die Abgastemperatur TAbgas ein.
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Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls für Schritt d) wird das Verfahren nun in Schritt e), hier als Phase 3 bezeichnet, fortgesetzt.
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Dabei werden nun der Einlass-Luftdruck-Sollwert p5,soll und der Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll konstant gehalten, wobei für den Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll wiederum der in Phase 1/Schritt a) erreichte Wert verwendet wird.
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Der Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll wird schrittweise nach spät verschoben, indem als Stellgröße der Einspritzbeginn BOI nach spät verschoben wird. Die sich in jedem Veränderungsschritt ergebenden Werte des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts phi50,soll und/oder des Einspritzbeginns BOI, vorzugsweise beide, werden gespeichert, außerdem der Verbrauchswert be und der Emissionswert, hier die Stickoxidkonzentration [NOx], sowie bevorzugt außerdem die Abgastemperatur TAbgas und der Brennraumdruckgradient dp/dt.
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Die Spätverschiebung wird wiederum so lange fortgesetzt, bis ein dritter Betriebsparameter jenseits eines dritten vorbestimmten Grenzwerts liegt, wobei nun als Betriebsparameter überwacht werden: Der Verbrennungsschwerpunkt phi50, der Einspritzbeginn BOI, die Abgastemperatur TAbgas, der Brennraumdruckgradient dp/dt und der Verbrauchswert be.
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Dabei wird insbesondere überwacht, ob der Verbrennungsschwerpunkt phi50 einen ihm zugeordneten spätesten Verbrennungsschwerpunkt-Grenzwert oder maximalen Verbrennungsschwerpunkt phi50,max überschreitet, ob der Einspritzbeginn BOI einen ihm zugeordneten spätesten Einspritzbeginn oder maximalen Einspritzbeginn-Grenzwert BOI,max überschreitet, und ob der Verbrauchswert be einen ihm zugeordneten maximalen Verbrauchswert oder Verbrauchswert-Grenzwert be,max überschreitet.
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In diesem Fall überschreitet voraussichtlich zuerst der Verbrauchswert be den ihm zugeordneten Verbrauchswert-Grenzwert be,max.
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In diesem Fall endet Phase 3 und damit die Variation des Verbrennungsschwerpunkts phi50 nach spät. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 3 wird nunmehr mit dem zuletzt erreichten Wert des Verbrennungsschwerpunkt-Sollwerts phi50,soll und somit des Einspritzbeginns BOI fortgesetzt, bei dem noch keiner der überwachten Betriebsparameter den ihm jeweils zugeordneten Grenzwert transzendiert hat.
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Das Verfahren wird nunmehr gemäß 2D) mit einer Phase 4 fortgesetzt, wobei die Brennkraftmaschine 3 wiederum unter konstanten Bedingungen betrieben wird, wobei insbesondere die auch zuvor in den Phasen 0, 12 und 23 konstant gehaltenen Betriebsparameter konstant gehalten werden, wobei allerdings nun in Phase 4 der Brennraumspitzendruck-Sollwert pmax,soll aus Phase 1/Schritt a) verwendet wird, wobei für den Verbrennungsschwerpunkt-Sollwert phi50,soll der in Phase 3/Schritt e) erreichte Wert verwendet wird. Dabei ergeben sich wiederum Messwerte für den Brennraumdruckgradient dp/dt und die Abgastemperatur TAbgas.
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Nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls für Phase 4 endet das Verfahren. Die gespeicherten Werte geben nun zulässige Bereiche an, in denen die Systemwerte für die Bestimmung der optimalen Verbrauchs- und Emissionswerte der Brennkraftmaschine 3 liegen.
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Wie bereits ausgeführt, wird dieser Verfahrensablauf nun bevorzugt wiederholt für weitere Betriebspunkte, insbesondere für Betriebspunkte eines vorbestimmten Prüfzyklus.
