DE10131937A1

DE10131937A1 - Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeugemissionen

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Publication number: DE10131937A1
Application number: DE10131937A
Authority: DE
Inventors: Timo Aimo Waltteri Wiemero; Daniel Lawrence Meyer; Philip William Husak; William Francis Stockhausen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: US6360531B1; DE10131937B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System 10 zur Reduktion von Kaltstart-Emissionen von Kraftfahrzeugen 12 mit Verbrennungsmotor 26. Das System 10 umnfaßt eine Steuerung 14, ein variables Ventilzeitgebersystem 16, ein Zündsystem 18, eine Treibstoffzumeßeinrichtung 20 und Kraftfahrzeug-Betriebszustands-Sensoren 22. Die Steuerung 14 detektiert Kaltstart-Bedingungen auf Basis von den Sensoren 22 empfangener Signale und generiert dementsprechend Befehlssignale für das variable Ventilzeitgebersystem 16, die bewirken, daß entsprechend die Ventilzeitgebung, Zündzeiteinstellung und die Luft/Treibstoffzufuhr zum Motor 26 so geändert werden, daß synergistisch die mageren Luft/Treibstoffgrenzen erweitert werden, die Verbrennungscharakteristika verbessert und die Abgastemperatur erhöht wird, wodurch Kaltstart-Emissionen reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reduktion von Kaltstart-Emissionen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeugemissionen, die synergistisch variables Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunktsabstimmung und Strategien zum Einstellen magerer Luft-/Brennstoffverhältnisse verwenden, um schnelles Anspringen des Ka talysators zu erzielen, wodurch die Emissionen bei Kaltstartbedingungen reduziert werden.

Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwenden typischerweise einen Drei- Wege-Katalysator ("TWC"), um Auspuffemissionen zu reduzieren. Insbesondere reduziert der TWC katalytisch Stickstoffoxide (NOx) und oxidiert Kohlenstoffmonoxid ("CO") und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ("HC"), die bei der Verbrennung ent stehen. Der TWC besitzt eine sehr hohe Umwandlungseffizienz, sobald der Kataly sator,,aufgewärmt" ist und das Luft/Treibstoffverhältnis der Mischung nahe dem stoichiometrischen Verhältnis liegt.

Der Zeitpunkt, zu dem der katalytische Konverter eine 50%ige (50%) Effizienz er reicht, wird üblicherweise als sein "Zündpunkt" bezeichnet. Aufgrund der relativ ge ringen Effizienz des katalytischen Konverters vor dem "Anspringen" sind nun die Anstrengungen darauf gerichtet worden, die Auspuffemissionen zu reduzieren, in dem die Anspringzeit reduziert wird, wodurch die Zeit reduziert wird, während der der katalytische Konverter am wenigsten wirksam ist. Diese früheren Anstrengun gen umfassen auch gleichzeitiges Ändern des Luftllreibstoffverhältnisses und/oder Verzögerung der Zündeinstellung des Motors. Diese Anstrengungen werden allge mein als "koordinierte Strategien zum Starten mit reduzierter Emission" oder "CSSRE" bezeichnet und sind bspw. - allerdings nicht nur - in den US-Patenten 5,483,946 und 5,584,176 beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit zur Vermei dung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird.

Die bekannten früheren Anstrengungen haben einige Nachteile.

Insbesondere begrenzen Schwierigkeiten, die Verbrennungsqualität und Stabilität des Motors, die Geräusche und Vibrationsrauhigkeiten sowie den "Fahrkomfort, während das Fahrzeug sich aufwärmt, zu steuern, die Anwendung dieser bekann ten Strategien.

Es besteht demzufolge ein Bedürfnis nach einer Einrichtung und Verfahren zur Re duktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen, die die Nachteile der Verfahren, Strategien und Einrichtungen des Standes der Technik zur Reduktion von Emissio nen vermeiden.

Es ist eine erstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die zumindest einige der oben aufgeführten Nachteile bekannter Emissions-Reduktionsverfahren und Strategien vermeiden. Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, welche synergistisch variable Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunktsabstimmung und magere Luft/Kraft stoffverhältnisse einsetzen, um ein schnelles Anspringen des Katalysators zu erzie len, wodurch die Emissionen während der Kaltstartbedingungen verringert werden.

Es ist ein drittes Ziel der Erfindung, ein Verfahren und Einrichtung zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die indirekte und/oder direkte Rückkopplung einsetzen, um die Anpassung der Zündzeitpunktsabstimmung, des mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses und der Ventilzeitabstimmungsereignisse ein setzt, um optimale Emissionsreduktion und Kraftfahrzeug Fahrkomfort zu schaffen.

Es ist ein viertes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, welches variable Ventilzeitgebe rereignisse verwenden, um die Betriebsbereiche der CSSRE-Zündzeitpunktsab stimmung und magere Luft/Brennstoffverhältnisse ohne Verschlechterung der Ver brennungsqualität und der Kraftfahrzeugfahrverhältnisse (bspw. NVH-Werte) zu erreichen.

Es ist ein fünftes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, das Ventil-Betätigungseinrich tungen ohne Nockenwellen einsetzen, um die Kraftstoffvorbereitung während der Kaltstart-Betriebsbedingungen zu unterstützen.

Es ist ein sechstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die mehrere Ventilereignisse während eines einzelnen Ansaughubs verwenden, um den Ventilen zugeführte Treibstoffmenge zu reduzieren, wodurch die Verdampfung des Treibstoffes erhöht und die Verbrennung verbessert wird. Ferner kann auch Mehrfachöffnen des An saugventiles die Verbrennung durch eine bessere Luft/Treibstoffmischungs-Vor bereitung durch Erhöhen der Treibstoffscherkräfte und Turbulenz im Zylinder ver bessern.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Emissionen von Kraftfahrzeugen mit Motoren geschaffen. Das Verfahren umfaßt die Schritte der Detektion einer Kaltstartbedingung; selektives und synergistisches Än dern der Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffabgabe an den Motor, um magere Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungs charakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch die Kaltstartemissionen reduziert werden.

Mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Emis sionen eines Kraftfahrzeuges mit Motor mit einer Brennkammer, mindestens einem Ventil und einem Treibstoffeinspritzer geschaffen, welcher eine Treibstoffmenge ab gibt, die in die Brennkammer durch mindestens ein Ventil eingelassen wird. Das Verfahren umfaßt den Schritt des mehrfachen selektiven Öffnens und Schließens des mindestens einen Ventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die Verdampfung der Treibstoffmenge erhöht die Verbrennungseffizienz und Abgas temperatur erhöht und Emissionen reduziert wird. Ferner können mehrere Öffnun gen des Ansaugventils die Verbrennung durch bessere Luft/Treibstoffmischungs herstellung verbessern, indem die auf den Treibstoff wirkenden Scherkräfte und die Turbulenz desselben im Zylinder verstärkt werden.

Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug nahme auf die begleitende Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Fahrzeuges mit einer Emissions-Reduktions-Ein richtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2a und 2b Blockdiagramme, die ein Verfahren, das durch die Einrichtung der Fig. 1 eingesetzt wird, um Kaltstart-Abgasemissionen zu verringern, und gemäß der Lehre einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird, illu striert;

Fig. 3 einen Graph der Verdampfungscharakteristika zweier verschiedener Treib stofftypen gegenüber der Motortemperatur; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das durch die Einrichtung der Fig. 1 eingesetzt wird, um die Kaltstart-Abgasemissionen zu reduzieren und gemäß der Lehre einer dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung 10 zur Reduktion von Kaltstartemissionen eines Kraft fahrzeuges 12 mit einem Verbrennungsmotor 26 gezeigt, welches gemäß der Lehre eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Einrichtung 10 umfaßt eine Hauptsteuerung oder Steuerung 14, ein variables Ventilzeitgebersystem 16, ein Zündsystem 18, eine Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und Sensoren 22. Das variable Ventilzeitgebersystem 16, Zündsystem 18 und Treibstoff-Zumeß-Einrich tung 20 sind kommunikativ mit dem Motor 26 verbunden und steuern dessen Be trieb (bspw. die Ventilzeitgebereinstellungen, Zündpunkteinstellungen und Luft/Treibstoffansaugmengen des Motors 26).

Die Steuerung 14 ist elektrisch und kommunikativ mit dem variablen Ventilzeitge bersystem 16, dem Zündsystem 18, der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und den Sensoren 22 gekoppelt.

Die Steuerung 14 empfängt von den Sensoren 22 und der Rückkopplung von den Systemen 16 bis 20 Signale und verarbeitet und verwendet die Signale und die Rückkopplung, um die CSSRE-Zündzeitpunkteinstellung, die mageren Luft/Treib stoffverhältnisse und Ventilzeitgeberzeitpunkte anzupassen, um optimale Emissi onsreduktion und Kraftfahrzeugfahrverhalten zu erzielen, wie im weiteren nachfol gend beschrieben werden wird.

Der Motor 26 ist ein konventioneller Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zy linder (auch bspw. 4, 6, 8 oder mehr Zylinder). Der Motor 26 ist betrieblich mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges und einem konventionellen Abgassystem 28 mit einem konventionellen katalytischen Konverter (nicht gezeigt) verbunden. Das Ab gassystem 28 überträgt und/oder leitet die Verbrennungsabgase des Motors 26 durch den katalytischen Konverter, der die Abgase behandelt und unerwünschte Emissionen entfernt, bevor die Gase in die Atmosphäre abgelassen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Steuerung 14 mehrere Mikro prozessoren oder Mikrosteuerungen als auch andere Chips und integrierte Schalt kreise, die zusammen den Betrieb der Einrichtung 10 steuern. Die Steuerung 14 kann ein oder mehrere, kommerziell erhältliche, konventionelle und übliche Chips oder Vorrichtungen umfassen, die betrieblich und kommunikativ zusammenwirkend verbunden sind. Die Steuerung 14 umfaßt permanente und vorübergehende Spei chereinheiten, die so eingerichtet sind, daß sie mindestens einen Teil der Betriebs software speichern, die den Betrieb der Steuerung 14 leitet. Insbesondere umfaßt die Steuerung 14 konventionelle Software, Hardware und/oder Firmware um das variable Ventilzeitgebersystem 16, das Zündungs- oder Zündsystem 18 und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 zu steuern und/oder mit Befehlen zu versehen.

Das variable Ventilzeitgebersystem 16 ist ein konventionelles variables Ventilzeit gebersystem, das eine Steuerung und ein oder mehrere Nockenzeitgeberanord nungen umfassen kann, die auf den Nockenwellen des Motors befestigt sind und selektiv die Drehung der Nockenwellen relativ zu einander und zur Kurbelwelle in Phasen versetzt halten, wodurch die Betätigung der Ansaug- und Ablaßventile ge steuert wird. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform besitzt der Motor 26 keine Nockenwelle, wobei das variable Ventilzeitgebersystem 16 ohne Nockenwelle mit mehreren steuerbaren elektromagnetischen, elektromechanischen und/oder elektrohydraulischen Betätigungseinrichtungen, die unabhängig das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Ablaßventile des Motors betreiben, ausgerüstet ist.

Das Zündsystem 18 ist ein konventionelles System, das die Zündpunktseinstellung in den Zylindern des Motors selektiv steuern kann. Die Treibstoff-Zumeß-Einrich tung 20 ist eine konventionelle Treibstoff-Zumeß-Einrichtung, die selektiv das Luft/Treibstoffverhältnis, das den verschiedenen Zylindern des Motors geliefert wird, steuern kann.

Die Sensoren 22 umfassen mehrere konventionelle und kommerziell erhältliche Sensoren, die Informationen über dem Motor 26 und das Fahrzeug 12 (bspw. Fahr zeugsbetriebszustandsdaten) messen und/oder sammeln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Sensoren 22 ein oder mehrere kon ventionelle Fahrzeug- und/oder Motorsensoren, die eingerichtet sind, die Geschwin digkeit und/oder Last des Motors, die Temperatur des Motors 26, die Motordrossel ventilposition, die Motorkühlmitteltemperatur, die Katalysatortemperatur, oder Be triebseffizienz und andere Motorbetriebsbedingungen abschätzen und/oder bestim men können. Die Sensoren 22 generieren ein oder mehr Signale für die Steuerung 14 auf Grundlage dieser gemessenen und/oder abgeschätzten Werte. Insbesondere liefern die Sensoren 22 Fahrzeugbetriebsdaten zum SteuerSystem 14, das diese Daten verwendet, um die geeignete Abgasverminderungsstrategie zu bestimmen.

In Betrieb koordiniert die erfindungsgemäße Einrichtung variable Ventileinstellereig nisse ("VVT") mit CSSRE-Zünd- und mageren Luft/Treibstoffverhältnis-Strategien, um schnelles Zünden des Katalysators bei reduzierten Auspuff-Emissionen wäh rend des Kraftfahrzeug-Kaltstarts zu erzielen. In den Fig. 2a und 2b ist eine nicht einschränkende Ausführungsform eines Verfahrens 40 gezeigt, das durch die Ein richtung 10 durchgeführt wird, um die Emissionen des Fahrzeuges 12 zu reduzie ren. Das Verfahren 40 beginnt mit Schritt 42, wo die Steuerung 14 Daten und/oder Signale von den Fahrzeugsensoren 22 empfängt. Auf Grundlage dieser empfange nen Daten bestimmt die Steuerung 14, ob "Kaltstart"-Bedingungen vorliegen, wie in Schritt 44 gezeigt. Die Bestimmung einer "Kaltstart"-Bedingung gründet auf ein oder mehrere gemessene Motorbetriebsbedingungen, wie der Temperatur, Last und/oder Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition, der Motorkühlmit teltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz, die mit ein oder mehreren eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 gespeichert sind, vergli chen werden.

Falls keine Kaltstart-Bedingung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 mit den Schritten 46 und 48 fort, bei denen die Steuerung 14 die Zündzeitpunkte und das Luft/Treibstoffverhältnis unter Verwendung konventioneller, nicht-CSSRE-Strategien einstellt (bspw. übermittelt die Steuerung 14 Befehlssignale an das Zündsystem 18 und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20, die die Systeme 18, 20 dazu veranlassen, konventionelle nicht-CSSRE-Strategien durchzuführen). Falls eine Kaltstart-Bedin gung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 mit den Schritten 50 und 52 fort, wo die Steuerung 14 jeweils den Zündzeitpunkt und das Luft/Treibstoffverhältnis unter Verwendung konventioneller CSSRE-Strategien setzt (bspw. übermittelt die Steue rung 14 Befehlssignale zum Zündsystem 18 und dem Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20, die die Systeme 18, 20 dazu veranlassen, konventionelle CSSRE-Strategien durchzuführen).

Die Steuerung 14 fährt dann in den Blöcken 54, 56 fort, wo sie Tests durchführt um festzstellen, ob oder nicht eine variable Ventilzeitpunktseinstellstrategie ("VVT") während der CSSRE-Betriebsweise durchgeführt werden sollte. Parameter, die un tersucht werden, können, sind - aber nicht begrenzt auf - des Fahrers Anforderung an Drehmoment oder Motordrosselventilposition, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motor kühlmitteltemperatur und Katalysatoreffizienz oder Katalysatorbetriebstemperatur. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform müssen die Drosselposition des Kraftfahrzeuges, Geschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur und Katalysatortemperatur alle vorbestimmbare, eichbaren Schwellenwerte überschreiten, bevor die Steuerung 14 die VVT-Strategie einsetzt. In anderen, nicht einschränkenden Ausführungsfor men, können die Eingangsbedingungen auf Motorgeschwindigkeit, Motorlast, baro metrischen Druck, NVH-Rückkopplung, Emissions-Rückkopplung und/oder Zeit ent sprechend dem Ausgang der Kurbelwelle basiert werden.

Wenn die Konditionen in Schritt 54 nicht angetroffen werden, verläßt die Steuerung 14 das Verfahren 40 und verwendet nur "nicht-VVT"-Strategien (d. h. nur Zündzeit punkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis-Strategien). Andernfalls wird die VVT- Strategie eingesetzt und Ventilzeitgeberereignisse gesetzt, wie in den Schritten 58 und 60 gezeigt. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung werden die Ansaugventilöffnungs- ("IVO") und die Schließereignisse ("IVC") sowie die Abgasventilöffnungs- ("EVO") und Schließereignisse ("IVC") unabhängig einge stellt. Bei anderen Ausführungsformen kann nur eines oder mehrere dieser Ereig nisse unabhängig voneinander eingestellt oder gesetzt werden. Beispielsweise, und ohne darauf begrenzt zu sein, werden bei einer nicht einschränkenden Ausfüh rungsform nur die EVO-Ereignisse eingestellt. Bei einer nicht begrenzenden Aus führungsform werden EVC- und IVO-Ereignisse gesetzt oder eingestellt, um die Steuerventil-"Überlappung" zu steuern und in einer weiteren Ausführungsform wer den nur die IVC-Ereignisse eingestellt oder gesetzt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die vorgenannten Ven tilzeitgeberereignisse unabhängig als Funktion der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, Motorkühlmitteltemperatur, Drosselventilposition, Katalysatoreffizienz, Katalysator betriebstemperatur, des barometrischen Drucks, Motorlast, Verbrennungsqualität (NVH-Rückkopplung, und/oder anderen Motor- und/oder Fahrzeugsteuersystem- Parametern eingestellt worden.

Beispielsweise wird während der "CSSRE" bei Leerlauf- und Geringbelastungsbe dingungen - das EVO-Selektiv ohne Beschränkung erhöht (nämlich früheres Öff nen), wodurch heißere Verbrennungsgase durch die Abgasöffnung abgelassen werden, wodurch das Katalysator-Aufwärmen erleichtert wird. Das EVC und IVO kann auch so eingestellt werden, daß die Ventil-Überlappungsperiode eliminiert wird. So können verzögerte oder verspätete CSSRE-Zündzeitpunkte eingestellt werden, ohne die Verbrennungsqualität zu beeinträchtigen. Diese verzögerten oder verspäteten Zeitpunkte produzieren höhere Abgastemperaturen, wodurch das Ka talysatoraufwärmen weiter erleichtert wird.

Die Steuerung 14 schreitet dann in den Schritten 62 und 64 fort, wobei CSSRE- Zündzeitpunkteinstellung und Luftllreibstoffverhältnis Korrekturterme berechnet werden, abhängig vom Ventilzeitgebungsereignis. Insbesondere ändert die Steue rung 14 die Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis so, daß diese synergistisch mit der geänderten Ventilzeitpunkteinstellung kooperieren, um die er wünschten Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität und reduzierten Emissio nen zu erhalten. Getrennte CSSRE Zündzeitpunktberechnungen können für EVO- Ereignisse, Ventilüberlappung und IVC-Ereignisse durchgeführt werden. Beispeils weise kann ohne Einschränkung für den EVO-Fall ein Korrekturfaktor mit zusätzli chem Zündpunktverzögerung berechnet werden. Diese zusätzliche Zündzeitpunkt verzögerung erhöht die Wärmeabgabe an das Abgas, wodurch weiter die Kataly satoraufheizung erleichtert wird.

In den Schritten 66, 68 bestimmt die Steuerung 14, ob die berechnete CSSRE- Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis-Korrekturterme und die VVT- Ereignisse adaptiv aktualisiert werden sollten (bspw. liegen bestimmte, vorbestimm te eichbare Bedingungen vor, die eine Aktualisierung begründen oder notwendig machen). Insbesondere überwacht die Steuerung 14 die Rückkopplung von den Systemen 16-20 und Daten von den Sensoren 22, um zu bestimmen, ob die Ven tileinstellung, Zündzeitpunkteinstellung und/oder Luft/Treibstoffabgabe angepaßt werden sollten, um Stabilität und Emissionsqualitäten des Fahrzeuges weiter zu verbessern. Wenn diese Bedingungen angetroffen werden, werden die berechne ten CSSRE-Zündzeitpunkte und Luft/Treibstoffverhältnis-Korrekturterme und die VVT-Ereignisse adaptiv in den Schritten 70-80 aktualisiert. Insbesondere werden in den Schritten 70 und 72 Zündzeitpunkt und Luft/Treibstoffverhältnis-Aktuali sierungen aufgrund von Rückkopplungen auf Basis vorhergehender Betriebsdaten berechnet. Die Aktualisierungen werden dazu verwendet, um die Zündzeitpunkt einstellungen und Luft/Treibstoffverhältnisse so zu modifizieren, daß die Emissio nen, NVH und Fahrkomfort verbessert werden. In den Schritten 74 und 76 werden die berechneten Aktualisierungen oder Modifikationen zu den Zünd- und Luft/Treib stoffverhältnis-Korrekturtermen addiert. In den Schritten 78 und 80 werden die VVT- Ereignisse aufgrund von Rückkopplungen und vorhergehenden Betriebsdaten ak tualisiert. Unter Verwendung der Verbrennungsqualität, NVH und/oder Emissions- Rückkopplung können die vorgenannten adaptiven Aktualisierungen auf Grundlage der bei einer bestimmten Motor- und/oder Fahrzeug-Betriebsbedingung, der Ge schwindigkeit, Last- oder Drosselposition verbrauchten Zeit durchgeführt werden. Andere Motor- und/oder Kraftfahrzeug-Betriebsbedingungen können auch zur An passung verwendet werden. Eine individuelle Einstellung kann aufgrund jedes Ven tilzeitgeberereignisses erfolgen (nämlich IVT-, IVC-, EVT- und EVC-Ereignisse).

In den Schritten 82 und 84 werden die CSSRE-Zündzeitpunkts- und Luft/Treibstoff verhältnis-Korrekturwerte (bspw. signierte Addition) zu den entsprechenden nicht- WT-Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerten addiert. Die endgültigen Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerte werden sodann aufgenommen. Die Strategie 40 endet mit Schritt 86.

Größere Reduktionen der Auspuffemissionsniveaus werden durch Einsatz der vor genannten Strategie 40 realisiert. Individuelles, frühes Abgasventilöffnen (EVO) und CSSRE-Zündzeitpunktverschiebung erhöht die Motorabgastemperatur. Die synergi stische Kombination frühes EVO und CSSRE führen zu höheren Abgastemperatu ren. Diese Resultate wurden experimentell verifiziert. Beispielsweise und ohne dar auf begrenzt zu sein, wurde gefunden, daß ein Fortschritt um 17 Grad bei EVO rela tiv zum Basisnocken-EVO mit einer Totpunkt-Zentrums-("TDC") Zündzeitpunktein stellzeit zu 28°C (50 Fahrenheit) Erhöhung der Abgastemperatur ohne Verschlech terung der Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität, führte. Diese höhere Abga stemperatur generiert einen größeren Wärmefluß im Abgas, welches das Katalysa tor-Anspringverhalten verbessert. Eine Reduktion des Niveaus des aus dem Motor abgegebenen Kohlenwasserstoffes (HC), nämlich des zugeführten Gases, wurde ebenfalls beobachtet, welches teilweise auch durch Nachverbrennungs-Oxidation der Abgase in den Leitungen erfolgt.

Bei Viertaktmotoren mit Zündkerzen, die nicht mit VVT-Mechanismen ausgerüstet sind, liegt das IVO typischerweise vor dem EVC. Die Dauer dieses Ereignisses, die entweder in Kurbelwellenwinkel- oder Nockenwellenwinkel-Graden gemessen wird, wird als der Ventilüberlappungszeitraum bezeichnet. Während dieses Überlap pungszeitraums besteht Gasfluß zwischen den Ansaug- und Abgasventilöffnungen. Höhere Drücke in der Abgasventilöffnung und im Zylinder können einen Rückfluß von Restgasen aus der Abgasventilöffnung und dem Zylinder in die Ansaugventi löffnung veranlassen. Diese Gase vermischen sich mit der Ansaugcharge und wer den ggf. wieder in den Motorzylinder während des Ansaughubs eingeführt. Der Überlappungszeitraum bestimmt die Menge Restgase, die die Ansaugöffnung be treten. Große Mengen Restgase können den Verbrennungsprozeß negativ beein flussen, wodurch Teilverbrennung oder Fehlzündung veranlaßt wird. Dies gilt insbe sondere für Leerlauf oder Leichtlast-Motorbetriebsbedingungen.

Diese Bedingung wird weiter verstärkt, wenn CSSRE-Zündzeitverzögerung und ma geres Luft/Treibstoffverhältnis angewendet werden. Die kombinierten VVT, mageres Luft/Triebstoffverhältnis und Zündzeitpunktstrategie gemäß der Erfindung können eingesetzt werden, um entweder den Ventilüberlappungszeitraum während Leer lauf- und/oder Bedingungen geringer Motorlast zu reduzieren oder zu eliminieren, falls CSSRE vorliegt, wodurch eine Verschlechterung des Verbrennungsprozesses verhindert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das variable Ventilzeitgeber system 14 ohne Nockenwelle und unterstützt die Treibstoffvorbereitung während des CSSRE-Kaltstarts und Aufwärmbetriebs. Für nockenwellenbetriebene Ventil züge wird Treibstoff typischerweise in ein geschlossenes Ansaugventil injiziert/ge sprüht. Wärmeübergang von der Ansaugventiloberfläche wird dazu verwendet, den injizierten Treibstoff zu verdampfen. Der verdampfte Treibstoff vermischt sich mit der angesaugten Luft in der Öffnung. Die Luft/Treibstoffmischung wird dann in den Motorzylinder oder Brennkammer übermittelt, wenn sich das Ansaugventil öffnet.

Benzin besteht aus verschiedenartigsten Kohlenwasserstoffen, die bei verschiede nen Temperaturen verdampfen. Die Destillationseigenschaften von zwei Arten han delsüblichen Benzins sind in Graph 90 der Fig. 3 dargestellt. Verringerte Treibstoff verdampfung findet während des Motorkaltstarts und der Aufwärmbedingungen statt, da die Ansaugventiloberfläche noch nicht die optimalen Temperaturen erreicht hat, die dazu notwendig sind, die flüssigen Treibstoff-Sprühnebeltröpfchen vollstän dig zu verdampfen. Bei niedrigeren Ventiltemperaturen werden zusätzliche Mengen Treibstoff in die Ansaugöffnung eingeführt, um sicherzustellen, daß die für die Ver brennung ausreichende notwendige Menge verdampften Treibstoffes in der Öffnung vorliegt. Falls das Ansaugventil geöffnet wird, wird ein Teil des Treibstoffs, der im flüssigen Zustand verbleibt, auch in die Brennkammer übermittelt. Der flüssige Treibstoff, der nicht während des Verbrennungsprozesses verbrennt, wird als nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe ausgestoßen.

Ein relativ dicker Film flüssigen Treibstoffs, der auf das Ansaugventil gesprüht wird, beeinträchtigt in negativer Weise den Wärmeübertragungsprozeß. Insbesondere wird mehr Zeit benötigt, um eine relativ große Menge flüssigen Treibstoffs zu ver dampfen. Da die relativ große Menge Flüssigkeit mehr Wärme aus dem Ansaugven til abzieht, wird mehr Zeit für das Ventil benötigt, um höhere Betriebstemperaturen zu erreichen.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet ein variables Ventilzeitgeber zystem 16 ohne Nockenwelle, um die o. g. Begrenzungen während der Motoranlauf- und Aufwärmbedingungen zu vermeiden. Insbesondere ersetzt das variable Venti lezeitgebersystem 16 ein einzelnes Einspritzereignis pro Ansaughub während eines Viertaktmotorbetriebs (derzeitige Praxis) durch mehrere (nämlich zwei oder mehr) Einspritzereignisse pro Ansaughub, gleichzeitig mit einer entsprechenden Anzahl multipler Ansaugventil Schließ- und Öffnungsereignisse während des Ansaughubs. Die injizierte Treibstoffmenge kann oder kann nicht auf gleiche Mengen verteilt wer den. Ähnlicherweise können die IVC/IVO-Ereignisse nicht oder doch gleichmäßig über die Dauer des Ansaughubs verteilt sein. Durch mehrere IVC/IVO-Ereignisse können kleinere Mengen Treibstoff auf die Oberfläche des geschlossenen Ansaug ventils gesprüht werden. Kleinere Treibstoffmengen verdampfen schneller. Die ge ringeren, einzelnen Flüssigkeitsmengen führen weniger Wärme vom Ansaugventil ab, wodurch dieses sich schneller erwärmen kann. Mehrfache Ventilschlüsse und Wiederöffnungen während des Ansaughubs schaffen ferner größere Druckgradien ten (größere Vakua) zwischen dem Zylinder und Ansaugöffnung. Dies führt zu dem weiteren Vorteil des Aufbrechens von Flüssigkeitströpfchen, die den Zylinder über die Ansaugöffnung betreten würden, wodurch diese leichter verbrannt werden kön nen und die Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas reduziert wird.

In Fig. 4 ist eine Strategie oder Verfahren 100 dargestellt, die durch die Einrichtung 10 entsprechend der Lehre der zweiten Ausführungsform der Erfindung durchge führt wird. Das Verfahren 100 beginnt mit Schritt 102, wo die Steuerung 14 Daten und/oder Signale von den Kraftfahrzeug-Sensoren 22 empfängt. Aufgrund dieser empfangenen Daten bestimmt die Steuerung 14, ob eine "Kaltstart"-Bedingung vor liegt, wie in Schritt 104 gezeigt. Die Bestimmung einer "Kaltstart"-Bedingung hängt von einer oder mehreren gemessenen Motorbetriebsbedingungen, wie der Tempe ratur, Last und/oder Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition, der Motorkühlmitteltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz ab, die mit ein oder weit mehr eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 abge speichert sind, verglichen werden.

Falls keine Kaltstart-Bedingung detektiert wird, endet die Strategie, wie bei Schritt 126 gezeigt, und das Kraftfahrzeug verwendet konventionelles nicht CSSRE-Ven tilzeit Setzen, Zünden und Luft/Treibstoffverhältnisstrategien. Falls eine Kaltstart- Bedingung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 in Schritt 106 fort, wo sie ein oder mehrere Tests durchführt, um festzustellen, ob eine Treibstoff Mehrfacheinspritz- Strategieff-Einspritzstrategie (pro Ansaughub) während der CSSRE-Betriebsweise durchgeführt werden sollte. Die zu untersuchenden Parameter können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Motorgeschwindigkeit ("N"), Kraftfahrzeuggeschwin digkeit ("VS"), Drosselposition ("TP"), Motorkühlmitteltemperatur ("ECT"), Zylinder kopftemperatur ("CHT") und/oder Motorlast ("PER LOAD"). Wenn die gemessenen Werte dieser Betriebsbedingungen oder Parameter vorher bestimmte Schwellen werte für diese Parameter übersteigen, fährt die Steuerung 14 in Schritt 108 fort.

In Schritt 108 berechnet die Steuerung 14 die Gesamtmenge injizierten Treibstoffs pro Ansaughub als Funktion des CSSRE-Luft/Treibstoffverhältnis-Zeitplans oder Strategie. Die Steuerung 14 bestimmt ferner auch die Anzahl Einspritzereignisse und Treibstoffmenge pro Einspritzen während des Ansaughubs als Funktion von N, VS, TP, ECT, CHT, PER LOAD, und/oder anderen Motor/Kraftfahrzeugbetriebs parametern. Die Steuerung fährt dann in Schritt 110 fort, wo sie die Zeitabstimmung der IVC und IVO-Ereignisse (bspw. relativ zur Kurbelwellensteuerposition im An saughub) und Dauer der Ereignisse, auf Grundlage der berechneten oder er wünschten Anzahl Einspritzereignisse pro Ansaughub, Treibstoffmenge pro Ein spritzen und andere Betriebsbedingungen bestimmt und/oder berechnet. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform wird einzelnes kontinuierliches Einspritzen eingesetzt, während mehrere Ventilbetätigungen (nämlichen Öffnen und Schließen) durchgeführt werden. In Schritt 112, der auf Schritt 110 folgt, setzt die Steuerung 14 einen Schleifenzählergrenzwert auf einen Wert gleich der berechneten Anzahl der Einspritzereignisse und startet einen internen Schleifenzähler, in dem dieser auf den Wert 1 gesetzt wird. In Schritt 114 werden die Resultate der Treibstoff- und Ventil zeitberechnungen in der Steuerung 14 gespeichert. Die erste Treibstoffeinspritz menge und IVC/IVO-Ereignisse werden sodann geplant und durchgeführt, wie in Schritt 116 gezeigt. Insbesondere generiert die Steuerung 14 Befehle an die Zu meß-Einrichtung 20 und das variable Ventilzeitgebersystem 16, um die erwünschten Einspritz- und Ventilereignisse durchzuführen. Nachdem das geplante Ereignis durchgeführt wurde, wird der Schleifenzählerwert um eins herauf gesetzt, wie in Schritt 118 gezeigt, und der Schleifenzählerwert mit dem Schleifenzählergrenzwert verglichen, wie in Schritt 120 gezeigt. Falls der Schleifenzählerwert größer als der Schleifenzählergrenzwert ist, endet die Strategie und wird so lange wiederholt, bis CSSRE und die Mehrfachtreibstoff-Einspritzbedingungen beendet sind. Falls der Schleifenzählerwert nicht größer als der Schleifenzählergrenzwert ist, führt die Steuerung 14 einen Test durch, um festzustellen, ob der Ansaughub durchgeführt wird, wie in Schritt 122 gezeigt. Wenn der Ansaughub sich noch in Durchführung befindet, wird rechnerisch die Kurbelwellenwinkelposition des Kolbens während des Ansaughubs, wie in Schritt 124, bestimmt. Aufgrund der Stellung des Kolbens wer den die geeigneten gespeicherten Werte für die nächste Treibstoffeinspritzmenge und IVC/IVO-Ereignisse geplant, durchgeführt und der Schleifenzählerwert um eins heraufgesetzt. Die Schritte 114-124 werden wiederholt, bis der Schleifenzählerwert größer als der Schleifenzählergrenzwert ist, oder kein Ansaughub mehr durch geführt wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die exakten Verfahren 40, 100 be schränkt, die hier beschrieben wurden, sondern es sind mannigfaltige Änderungen und/oder Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der Ansprüche möglich. Beispielsweise und ohne darauf begrenzt zu sein, können die Verfahren 40, 100 andere oder zusätzliche Schritte aufweisen und die offenbarten oder andere Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge oder Weise durchführen.

Bezugszeichenliste

10

System

12

Kraftfahrzeug

14

Hauptsteuerung

16

variables Ventilzeitgebersystem

18

Zündsystem

20

Treibstoff-Zumeß-Einrichtung

22

Sensoren

26

Motor

Claims

1. Einrichtung (10) zur Reduktion von Fahrzeug-Emissionen mit
einem Verbrennungsmotor (26)
einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), das die Ventil-Zeitgeberereignisse des Motors steuert,
einem Zündsystem (18), das die Zündeinstellung des Motors (26) steuert; und
einer Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20), das die Luft/Treibstoffzuführung zum Motor (26) steuert, gekennzeichnet durch:
mindestens einen Sensor (22), der mindestens eine Fahrzeugbetriebsbedin gung messen und Sensorsignale generieren kann, die den gemessenen, min destens einen Fahrzeugsbetriebszustand repräsentieren; und
eine Steuerung (14), die kommunikativ mit dem mindestens einem Fahrzeug sensor (22), dem mindestens einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), dem Zündsystem (18) und der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20) gekoppelt ist, die die Sensorsignale empfangen und aufgrund der empfangenen Sensorsignale einen Kaltstartzustand detektieren kann und entsprechend dieser Detektion Befehlssignale an das variable Ventil-Zeitgebersystem (16), das Zündsystem (18) und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung generieren kann, die entsprechend die Ventilzeiteinstellung, die Zündabstimmung und die Luft/Treibstoffabgabe so zu ändern, daß diese synergistisch die mageren Luft/Treibstoffgrenzen erwei tern, die Verbrennungscharakteristika verbessern und die Abgastemperatur erhöhen, wodurch Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten Ventilzeitgeberereignisse Abgasventilöffnungsereignisse umfassen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten Ventilzeitgeberereignisse Ansaugventilschließereignisse umfassen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten Ventilzeitgeberereignisse Ansaugventilöffnungs- und Abgasventilschließereig nisse umfassen, wobei die Ansaugventilöffnungs- und Abgasventilschließereig nisse geändert werden, um die Ventilüberlappung zu steuern.

5. Einrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten Ventilzeitgeberereignisse Abgasventilöffnungsereignisse, Abgasventilschlie ßereignisse, Ansaugventilöffnungs- und Ansaugventilschließereignisse umfas sen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Ventilzeitgebersystem (16) ein System ohne Nockenwelle ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Ventilzeitgebersystem (16) mindestens eine Nockenwelle aufweist.

8. Verfahren zur Reduktion von Emissionen von Kraftfahrzeugen des Typs mit Motor, mit den Schritten:
Detektieren eines Kaltstart-Zustands; und
selektives und synergistisches Ändern des Ventilzeitgebens, der Zündzeitab stimmung und der Luft/Treibstoffabgabe an den Motor, wodurch die Verbren nungseffizienz und Abgastemperatur erhöht wird und die Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ventilzeitsteuerung unter Verwendung eines variablen Ventilzeitgebersystems geändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltstart-Zu stand durch Überwachung mehrerer Kraftfahrzeugparameter detektiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Kraftfahrzeugparameter die Katalysatortemperatur umfassen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Kraftfahrzeugparameter, die Drosselventilposition, die Kraftfahrzeuggeschwin digkeit, die Motorkühlmitteltemperatur und die Katalysatortemperatur umfassen.

13. Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch die Schritte:
Überwachen von Rückkopplungsdaten; und
adaptives Aktualisieren der Ventilzeitgebung, Zündzeitgebung und
Luft/Treibstoffabgabe aufgrund der überwachten Rückkopplungsdaten.

14. Verfahren zur Reduktion von Emissionen eines Fahrzeuges des Typs mit einem Motor, das eine Brennkammer mit mindestens einem Ventil, einem Treibstoffe inspritzer, der eine Treibstoffmenge, die zu der Kammer übermittelt wird, durch das mindestens eine Ventil abgibt, mit den Schritten:
mehrfaches selektives Öffnen und Schließen des mindestens einen Ventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die Verdampfung der Treib stoffmenge erhöht wird, um die mageren Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungscharakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch Emissionen reduziert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch:
Veranlassen des Fahrzeugeinspritzers, die Treibstoffmenge über Mehrfachein spritzungen während des Ansaughubs abzugeben.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Ventil selektiv unter Verwendung mindestens eines elektromechanischen Betätigers selektiv geöff net und geschlossen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ventil selektiv durch Verwendung mindestens eines elektrohydraulischen Betätigers selektiv geöffnet und geschlossen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch:
Berechnen einer Kurbelwellenposition; und
Verwenden der Kurbelwellenposition, um zu bestimmen, wann das mindestens eine Ansaugventil geöffnet und geschlossen wird.