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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reduktion von Kaltstart-Emissionen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeugemissionen, die synergistisch variable Gaswechselventilzeitabstimmung, Zündzeitpunkeinstellung und Strategien zum Einstellen magerer Luft-/Brennstoffverhältnisse verwenden, um schnelles Anspringen des Katalysators zu erzielen, wodurch die Emissionen bei Kaltstart Zuständen reduziert werden.
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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 entstehen. Der TWC besitzt eine sehr hohe Umwandlungseffizienz, sobald der Katalysator “aufgewärmt” ist und das Luft/Treibstoffverhältnis der Mischung nahe dem stoichiometrischen Verhältnis liegt.
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Der Zeitpunkt, zu dem der katalytische Konverter eine 50 %ige (50 %) Effizienz erreicht, wird üblicherweise als sein “Zündpunkt” bezeichnet. Aufgrund der relativ geringen 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 Anstrengungen umfassen auch gleichzeitiges Ändern des Luft/Treibstoffverhältnisses und/oder Verzögerung der Zündeinstellung des Motors. Diese Anstrengungen werden allgemein als “koordinierte Strategien zum Starten mit reduzierter Emission” oder “CSSRE” bezeichnet und sind bspw. – allerdings nicht nur – in der
US 5 483 946 A und der
US 5 584 176 A beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird.
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DE 199 40 854 A1 beschreibt eine Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit elektromagnetisch angetriebenen Ventilen, bei der durch Steuern des Öffnungs- und Schließzeitpunkts, einer Ventilöffnungsdauer und eines Hubgrads bei der Öffnung des Ventils eine Stabilisierung der mageren Verbrennung erzielt wird. Das Einlass- und das Auslassventil kann elektromagnetisch hinsichtlich des Öffnens und Schließen optimal angesteuert werden. Der Kraftstoff kann direkt in den Zylinder oder aber in die Einlassöffnung eingespritzt werden. Unmittelbar nach dem Kaltstart des Motors wird ein besonderes Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis für den Kaltstart zur Aktivierung des Katalysators vorab eingestellt. Eine Kraftstoffmenge auf Basis des Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Soll-L/K-Differenz wird ermittelt. Auf der Grundlage des Ventilöffnungszeitpunkts, der Ventilöffnungsdauer und des Ventilhubs des Einlassventils wird eine Korrektur der Einspritzung von der Grundkraftstoffmenge und eine Korrektur des Zündzeitpunkts durchgeführt.
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DE 199 14 523 A1 beschreibt eine Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung für einen Verbrennungsmotor, gemäß der zur Aktivierung des Katalysators der Motor zunächst mager betrieben wird. Das Ende der Kraftstoffeinspritzung wird anschließend verzögert, so dass die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht wird. Kraftfahrzeugparameter wie die Motorkühltemperatur oder Katalysatortemperatur werden zur Feststellung eines Kaltstart-Zustands herangezogen.
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DE 43 17 748 A1 beschreibt eine System zum Steuern eines Ventilmechanismus für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Ventilsteuerung zur raschen Erhöhung der Abgastemperatur. Der Ventilmechanismus weist dabei Nockenwellen auf.
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DE 43 42 296 C1 betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung nach dem Kaltstart, wobei während der Warmlaufphase die Ventilsteuerzeiten der Gaswechselventile überschneidungsfrei eingestellt werden und dadurch die Brennkraftmaschine zur Komprimierung des Abgases verwendet wird.
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DE 43 30 722 A1 wiederum betrifft die Verringerung der Emissionen bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine.
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Aus der
DE19733139 A1 ist ein Verfahren zur Beeinflussung der Gemischbildung und Ladungsbewegung in einem Zylinder einer fremdgezündeten Kolben-Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem die Größe des Einlaßventilquerschnitts gesteuert wird, um die Gasgemischbildung und der Ladungsbewegung zu beeinflussen. Die
DE19927951 A1 offenbart eine Steuervorrichtung für einen Motor mit elektromagnetisch angetriebenen Einlaßventilen, deren Betätigung durch eine Steuerung erfolgt. Aus Ottomotor-Management (Bosch: 1. Auflage, Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 1998, ISBN 3-528-03877-2, S. 3, 7, 8, 42, 45 54–56, 310–312, 335 und 337–343“ ist das Ventilmanagement von Verbrennungsmotoren generell bekannt.
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Durch die abgegebene Leistung der Abgasturbine auf die Motorkurbelwelle unter Nutzung des Abgastemperaturniveaus wird der Gesamtwirkujngsgrad der Brennkraftmaschine zusätzlich erhöht.
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Die bekannten Verfahren zur Emissionsverringerung in der Anlaufphase 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 bekannten Strategien.
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Es besteht demzufolge ein Bedürfnis nach einer Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen, die die Nachteile der Verfahren, Strategien und Einrichtungen des Standes der Technik zur Reduktion von Emissionen vermeiden.
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Es ist also Aufgabe der Erfindung, Nachteile der bekannten Emissions-Reduktionsverfahren zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen geschaffen, die zumindest einige der oben aufgeführten Nachteile bekannter Emissions-Reduktionsverfahren und Strategien vermeidet. Es wird ein eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen geschaffen, welche synergistisch variable Gaswechselventilöffnungszeiteinstellung, Zündzeitpunkteinstellung und magere Luft/Kraftstoffverhältnisse einsetzen, um ein schnelles Anspringen des Katalysators zu erzielen, wodurch die Emissionen während der Kaltstart Zustände verringert werden.
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Es wird indirekte und/oder direkte Rückkopplung eingesetzt, um die Anpassung der Zündzeitpunkteinstellung, des mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses und der Gaswechselventilzeitabstimmungsereignisse einsetzt, um optimale Emissionsreduktion und Kraftfahrzeug Fahrkomfort zu schaffen.
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Weiterhin werden variable Gaswechselventilzeitgeberereignisse verwendet, um die Betriebsbereiche der CSSRE-Zündzeitpunkteinstellung und magere Luft/Brennstoff-Verhältnisse ohne Verschlechterung der Verbrennungsqualität und der Kraftfahrzeugfahrverhältnisse (bspw. NVH-Werte) zu erreichen.
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Die Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen kann auch bei Gaswechselventil-Betätigungseinrichtungen ohne Nockenwellen eingesetzt werden, um die Kraftstoffvorbereitung während der Kaltstart-Betriebszustands zu unterstützen.
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Ferner werden eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen geschaffen, die mehrere Gaswechselventilereignisse während eines einzelnen Ansaughubs verwenden, um die den Gaswechselventilen zugeführte Treibstoffmenge zu reduzieren, wodurch die Verdampfung des Treibstoffes erhöht und die Verbrennung verbessert wird. Ferner kann auch Mehrfachöffnen des Gas-Ansaugventiles die Verbrennung durch eine bessere Luft/Treibstoffmischungs-Vorbereitung durch Erhöhen der Scherkräfte auf den Treibstoff und der Turbulenz im Zylinder verbessern.
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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 eines Kaltstart Zustandes; selektives und synergistisches Ändern der Gaswechselventilöffnungszeiteinstellung, Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffzufuhr an den Motor, um magere Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungscharakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch die Kaltstartemissionen reduziert werden.
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Mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Emissionen eines Kraftfahrzeuges mit Motor mit einer Brennkammer, mindestens einem Gaswechselventil und einem Treibstoffeinspritzer geschaffen, welcher eine Treibstoffmenge abgibt, die in die Brennkammer durch mindestens ein Gaswechselventil eingelassen wird. Das Verfahren umfaßt den Schritt des mehrfachen selektiven Öffnens und Schließens des mindestens einen Gaswechselventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die Verdampfung der Treibstoffmenge erhöht die Verbrennungseffizienz und Abgastemperatur erhöht und Emissionen reduziert wird. Ferner können mehrere Öffnungen des Ansaugventils die Verbrennung durch bessere Luft/Treibstoffmischung verbessern, indem die auf den Treibstoff wirkenden Scherkräfte und die Turbulenz desselben im Zylinder verstärkt werden.
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Die Erfindung ergibt sich für den Fachmann aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung. Darin zeigt:
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1 ein Blockdiagramm eines Fahrzeuges mit einer Emissions-Reduktions-Einrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2a und 2b Blockdiagramme, die ein Verfahren, das durch die Einrichtung der 1 eingesetzt wird, um Kaltstart-Abgasemissionen zu verringern, und gemäß der Lehre einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird, illustriert;
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3 einen Graph der Verdampfungscharakteristika zweier verschiedener Treibstofftypen gegenüber der Motortemperatur; und
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4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das durch die Einrichtung der 1 eingesetzt wird, um die Kaltstart-Abgasemissionen zu reduzieren und gemäß der Lehre einer dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 zur Reduktion von Kaltstartemissionen eines Kraftfahrzeuges 12 mit einem Verbrennungsmotor 26 gezeigt. Die Einrichtung 10 umfaßt eine Hauptsteuerung oder Steuerung 14, ein variables Gaswechselventilzeitgebersystem 16, ein Zündsystem 18, eine Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und Sensoren 22. Das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 16, Zündsystem 18 und Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 sind kommunikativ mit dem Motor 26 verbunden und steuern dessen Betrieb (bspw. die Gaswechselventilzeitgebereinstellungen, Zündpunkteinstellungen und Luft/Treibstoffansaugmengen des Motors 26).
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Die Steuerung 14 ist elektrisch und kommunikativ mit dem variablen Gaswechselventilzeitgebersystem 16, dem Zündsystem 18, der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und den Sensoren 22 gekoppelt.
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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/Treibstoffverhältnisse und Gaswechselventilzeitgeberzeitpunkte anzupassen, um optimale Emissionsreduktion und Kraftfahrzeugfahrverhalten zu erzielen, wie im weiteren nachfolgend beschrieben werden wird.
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Der Motor 26 ist ein konventioneller Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder (auch bspw. 4, 6, 8 oder mehr Zylinder). Der Motor 26 ist betrieblich mit dem Antriebstrang des Kraftfahrzeuges und einem konventionellen Abgassystem 28 mit einem konventionellen katalytischen Konverter (nicht gezeigt) verbunden. Das Abgassystem 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.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Steuerung 14 mehrere Mikroprozessoren oder Mikrosteuerungen als auch andere integrierte Schaltkreise, die zusammen den Betrieb der Einrichtung 10 steuern. Die Steuerung 14 kann ein oder mehrere, kommerziell erhältliche, konventionelle und übliche integrierte Schaltkreise oder Vorrichtungen umfassen, die betrieblich und kommunikativ zusammenwirkend verbunden sind. Die Steuerung 14 umfaßt permanente und vorübergehende Speichereinheiten, die so eingerichtet sind, daß sie mindestens einen Teil der Betriebssoftware speichern, die den Betrieb der Steuerung 14 leitet. Insbesondere umfaßt die Steuerung 14 konventionelle Software, Hardware und/oder Firmware um das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 16, das Zündungs- oder Zündsystem 18 und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 zu steuern und/oder mit Befehlen zu versehen.
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Das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 16 ist ein konventionelles variables Gaswechselventilzeitgebersystem, das eine Steuerung und ein oder mehrere Nockenzeitgeberanordnungen 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 Abgasventile gesteuert wird. Bei einer (nicht einschränkenden) Ausführungsform besitzt der Motor 26 keine Nockenwelle, wobei das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 16 ohne Nockenwelle mit mehreren steuerbaren elektromagnetischen, elektromechanischen und/oder elektrohydraulischen Betätigungseinrichtungen, die unabhängig das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Abgasventile des Motors betreiben, ausgerüstet ist.
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Das Zündsystem 18 ist ein konventionelles System, das die Zündpunktseinstellung in den Zylindern des Motors selektiv steuern kann. Die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 ist eine konventionelle Treibstoff-Zumeß-Einrichtung, die selektiv das Luft/Treibstoffverhältnis, das den verschiedenen Zylindern des Motors geliefert wird, steuern kann.
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Die Sensoren 22 umfassen mehrere konventionelle und kommerziell erhältliche Sensoren, die Informationen über dem Motor 26 und das Fahrzeug 12 (bspw. Fahrzeugsbetriebszustandsdaten) messen und/oder sammeln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Sensoren 22 ein oder mehrere konventionelle Fahrzeug- und/oder Motorsensoren, die eingerichtet sind, die Geschwindigkeit und/oder Last des Motors, die Temperatur des Motors 26, die Motordrosselventilposition, die Motorkühlmitteltemperatur, die Katalysatortemperatur, oder Betriebseffizienz und andere Motorbetriebszustände abschätzen und/oder bestimmen können. Die Sensoren 22 generieren ein oder mehr Signale für die Steuerung 14 auf Grundlage dieser gemessenen und/oder geschätzten Werte. Insbesondere liefern die Sensoren 22 Fahrzeugbetriebsdaten zum Steuersystem 14, das diese Daten verwendet, um die geeignete Abgasverminderungsstrategie zu bestimmen.
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Im Betrieb koordiniert die erfindungsgemäße Einrichtung variable Ventilöffnungszeiteinstellereignisse (“VVT”) mit CSSRE-Zünd- und mageren Luft/Treibstoff-Verhältnis-Strategien, um schnelles Zünden des Katalysators bei reduzierten Auspuff-Emissionen während des Kraftfahrzeug-Kaltstarts zu erzielen. In den 2a und 2b ist eine nicht einschränkende Ausführungsform eines Verfahrens 40 gezeigt, das durch die Einrichtung 10 durchgeführt wird, um die Emissionen des Fahrzeuges 12 zu reduzieren. Das Verfahren 40 beginnt mit Schritt 42, wo die Steuerung 14 Daten und/oder Signale von den Fahrzeugsensoren 22 empfängt. Auf Grundlage dieser empfangenen Daten bestimmt die Steuerung 14, ob “Kaltstart”-Zustände vorliegen, wie in Schritt 44 gezeigt. Die Bestimmung einer “Kaltstart”-Zustand gründet auf ein oder mehrere gemessene Motorbetriebszustände, wie der Temperatur, Last und/oder Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition, der Motorkühlmitteltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz, die mit ein oder mehreren eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 gespeichert sind, verglichen werden.
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Falls keine Kaltstart-Zustand detektiert wird, fährt die Steuerung 14 mit den Schritten 46 und 48 fort, bei denen die Steuerung 14 die Zündzeitpunkte und das Luft/Treibstoff-Verhältnis 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-Bedingung 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 Steuerung 14 Befehlssignale zum Zündsystem 18 und dem Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20, die die Systeme 18, 20 dazu veranlassen, konventionelle CSSRE-Strategien durchzuführen).
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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 untersucht werden, können, sind – aber nicht begrenzt auf – des Fahrers Anforderung an Drehmoment oder Motordrosselventilposition, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motorkühl- mitteltemperatur und Katalysatoreffizienz oder Katalysatorbetriebstemperatur. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform müssen die Drosselposition des Kraft- fahrzeuges, Geschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur und Katalysatortemperatur alle vorbestimmbare, eichbaren Schwellenwerte überschreiten, bevor die Steuerung 14 die VVT-Strategie einsetzt. In anderen, nicht einschränkenden Ausführungsformen, können die Eingangs Zustände auf Motorgeschwindigkeit, Motorlast, barometrischen Druck, NVH-Rückkopplung, Emissions-Rückkopplung und/oder Zeit entsprechend dem Ausgang der Kurbelwelle basiert werden.
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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 Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis-Strategien). Andernfalls wird die VVT-Strategie eingesetzt und Gaswechselventilzeitgeberereignisse 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 eingestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann nur eines oder mehrere dieser Ereignisse unabhängig voneinander eingestellt oder gesetzt werden. Beispielsweise, und ohne darauf begrenzt zu sein, werden bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform nur die EVO-Ereignisse eingestellt. Bei einer nicht begrenzenden Ausführungsform werden EVC- und IVO-Ereignisse gesetzt oder eingestellt, um die Gaswechselventil-“Überlappung” zu steuern und in einer weiteren Ausführungsform werden nur die IVC-Ereignisse eingestellt oder gesetzt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die vorgenannten Gaswechselventilzeitgeberereignisse unabhängig als Funktion der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, Motorkühlmitteltemperatur, Drosselventilposition, Katalysatoreffizienz, Katalysatorbetriebstemperatur, des barometrischen Drucks, Motorlast, Verbren-nungs-qualität (NVH-Rückkopplung, und/oder anderen Motor- und/oder Fahrzeug Steuersystem-Parametern eingestellt worden.
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Beispielsweise wird während der “CSSRE” bei Leerlauf- und Geringbelastungs Zustände – das EVO-Selektiv ohne Beschränkung erhöht (nämlich früheres Öffnen), 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 Gaswechselventil-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 Katalysatoraufwärmen weiter erleichtert wird.
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Die Steuerung 14 schreitet dann in den Schritten 62 und 64 fort, wobei CSSRE-Zünd- zeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis Korrekturterme berechnet werden, abhängig vom Gaswechselventilzeitgebungsereignis. Insbesondere ändert die Steuerung 14 die Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis so, daß diese synergistisch mit der geänderten Gaswechselventilöffnungszeiteinstellung zu den erwünschten Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität und reduzierten Emissionen führen. Getrennte CSSRE Zündzeitpunktberechnungen können für EVO-Ereignisse, Gaswechselventilüberlappung und IVC-Ereignisse durchgeführt werden. Beispeilsweise kann ohne Einschränkung für den EVO-Fall ein Korrekturfaktor mit zusätzlichem Zündpunktverzögerung berechnet werden. Diese zusätzliche Zündzeitpunktverzögerung erhöht die Wärmeabgabe an das Abgas, wodurch die Katalysatoraufwärmung zusätzlich erleichtert wird.
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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, vorbestimmte eichbare Zustände vor, die eine Aktualisierung begründen oder notwendig machen).
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Insbesondere überwacht die Steuerung 14 die Rückkopplung von den Systemen 16–20 und Daten von den Sensoren 22, um zu bestimmen, ob die Gaswechselventilöffnungszeiteinstellung, Zündzeitpunkteinstellung und/oder Luft/Treibstoffzufuhr angepaßt werden sollten, um Stabilität und Emissionsqualitäten des Fahrzeuges weiter zu verbessern. Wenn diese Zustände angetroffen werden, werden die berechneten 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-Aktualisierungen aufgrund von Rückkopplungen auf Basis vorhergehender Betriebsdaten berechnet. Die Aktualisierungen werden dazu verwendet, um die Zündzeitpunkteinstellungen und Luft/Treibstoffverhältnisse so zu modifizieren, daß die Emissionen, NVH und Fahrkomfort verbessert werden. In den Schritten 74 und 76 werden die berechneten Aktualisierungen oder Modifikationen zu den Zünd- und Luft/Treibstoff Verhältnis-Korrekturtermen addiert. In den Schritten 78 und 80 werden die VVT-Ereignisse aufgrund von Rückkopplungen und vorhergehenden Betriebsdaten aktualisiert. Unter Verwendung der Verbrennungsqualität, NVH und/oder Emissions-Rückkopplung können die vorgenannten adaptiven Aktualisierungen auf Grundlage der bei einer bestimmten Motor- und/oder Fahrzeug-Betriebszustand, der Geschwindigkeit, Last- oder Drosselposition verbrauchten Zeit durchgeführt werden. Andere Motor- und/oder Kraftfahrzeug-Betriebszustände können auch zur Anpassung verwendet werden. Eine individuelle Einstellung kann aufgrund jedes Gaswechselventilzeitgeber‚ Ereignisses erfolgen (nämlich IVT-, IVC-, EVT- und EVC-Ereignisse).
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In den Schritten 82 und 84 werden die CSSRE-Zündzeitpunkts- und Luft/Treibstoff-Verhältnis-Korrekturwerte (bspw. signierte Addition) zu den entsprechenden nicht-VVT-Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerten addiert. Die endgültigen Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerte werden sodann aufgenommen. Die Strategie 40 endet mit Schritt 86.
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Größere Reduktionen der Auspuffemissionsniveaus werden durch Einsatz der vorgenannten Strategie 40 realisiert. Individuelles, frühes Abgasventilöffnen (EVO) und CSSRE-Zündzeitpunktverschiebung erhöht die Motorabgastemperatur. Die synergistische Kombination frühes EVO und CSSRE führen zu höheren Abgastemperaturen. Diese Resultate wurden experimentell verifiziert. Beispielsweise und ohne darauf begrenzt zu sein, wurde gefunden, daß ein Fortschritt um 17 Grad bei EVO relativ zum Basisnocken-EVO mit einer Totpunkt-Zentrums-(“TDC”)Zündzeitpunkteinstellzeit zu 28° C (50 Fahrenheit) Erhöhung der Abgastemperatur ohne Verschlechterung der Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität, führte. Diese höhere Abgastemperatur generiert einen größeren Wärmefluß im Abgas, welches das Katalysator-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.
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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 Gaswechselventilüberlappungszeitraum bezeichnet. Während dieses Überlappungszeitraums 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 Ansaugventilöffnung veranlassen. Diese Gase vermischen sich mit der Ansaugcharge und werden ggf. wieder in den Motorzylinder während des Ansaughubs eingeführt. Der Überlappungszeitraum bestimmt die Menge Restgase, die die Ansaugöffnung betreten. Große Mengen Restgase können den Verbrennungsprozeß negativ beeinflussen, wodurch Teilverbrennung oder Fehlzündung veranlaßt wird. Dies gilt insbesondere für Leerlauf oder Leichtlast-Motorbetriebszustände.
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Diese Zustand wird weiter verstärkt, wenn CSSRE-Zündzeitverzögerung und mageres Luft/Treibstoffverhältnis angewendet werden. Die kombinierten VVT, mageres Luft/Triebstoffverhältnis und Zündzeitpunktstrategie gemäß der Erfindung können eingesetzt werden, um entweder den Gaswechselventilüberlappungszeitraum während Leerlauf- und/oder Zustände geringer Motorlast zu reduzieren oder zu eliminieren, falls CSSRE vorliegt, wodurch eine Verschlechterung des Verbrennungsprozesses verhindert wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 14 ohne Nockenwelle und unterstützt die Treibstoffvorbereitung während des CSSRE-Kaltstarts und Aufwärmbetriebs. Für nockenwellenbetriebene Ventilzüge wird Treibstoff typischerweise in ein geschlossenes Ansaugventil injiziert/gesprüht. 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.
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Benzin besteht aus verschiedenartigsten Kohlenwasserstoffen, die bei verschiedenen Temperaturen verdampfen. Die Destillationseigenschaften von zwei Arten handelsüblichen Benzins sind in Graph 90 der 3 dargestellt. Verringerte Treibstoffverdampfung findet während des Motorkaltstarts und der Aufwärm Zustände statt, da die Ansaugventiloberfläche noch nicht die optimalen Temperaturen erreicht hat, die dazu notwendig sind, die flüssigen Treibstoff-Sprühnebeltröpfchen vollständig zu verdampfen. Bei niedrigeren Ventiltemperaturen werden zusätzliche Treibstoff mengen in die Ansaugöffnung eingeführt, um sicherzustellen, daß die für die Verbrennung 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.
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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 verdampfen. Da die relativ große Menge Flüssigkeit mehr Wärme aus dem Ansaugventil abzieht, wird mehr Zeit für das Ventil benötigt, um höhere Betriebstemperaturen zu erreichen.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet ein variables Gaswechselventilzeitgebersystem 16 ohne Nockenwelle, um die o.g. Begrenzungen während der Motoranlauf- und Aufwärm Zustände zu vermeiden. Insbesondere ersetzt das variable Gaswechselventilzeitgebersystem 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 Gaswechselventil Schließ- und Öffnungsereignisse während des Ansaughubs. Die injizierte Treibstoffmenge kann oder kann nicht auf gleiche Mengen verteilt werden. In ähnlicher Weise können die IVC/IVO-Ereignisse gleichmäßig oder ungleichmässig über die Dauer des Ansaughubs verteilt sein. Durch mehrere IVC/IVO-Ereignisse können kleinere Mengen Treibstoff auf die Oberfläche des geschlossenen Ansaugventils gesprüht werden. Kleinere Treibstoffmengen verdampfen schneller. Die geringeren, einzelnen Flüssigkeitsmengen führen weniger Wärme vom Ansaugventil ab, wodurch dieses sich schneller erwärmen kann. Mehrfaches Gaswechselventilschlüsse und Wiederöffnungen während des Ansaughubs schaffen größere Druckgradienten (größere Vakua) zwischen dem Zylinder und Ansaugöffnung. Dies führt zu dem weiteren Vorteil des Aufbrechens von Flüssigkeitströpfchen, die den Zylinder über die Ansaugöffnung betreten, wodurch diese leichter verbrannt werden können und die Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas reduziert wird.
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In 4 ist eine Strategie oder Verfahren 100 dargestellt, die durch die Einrichtung 10 entsprechend der Lehre der zweiten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt 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 ein “Kaltstart”-Zustand vorliegt, wie in Schritt 104 gezeigt. Die Bestimmung eines “Kaltstart”-Zustandes hängt von einer oder mehreren gemessenen Motorbetriebszuständen, wie der Temperatur, Last und/oder Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition, der Motorkühlmitteltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz ab, die mit ein oder mehr eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 abgespeichert sind, verglichen werden.
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Falls kein Kaltstart-Zustand detektiert wird, endet die Strategie, wie bei Schritt 126 gezeigt, und das Kraftfahrzeug verwendet konventionelle nicht CSSRE-Ventilzeit Setzen-, Zünd- und Luft/Treibstoffverhältnisstrategien. Falls ein Kaltstart-Zustand detektiert wird, fährt die Steuerung 14 in Schritt 106 fort, wo sie ein oder mehrere Tests durchführt, um festzustellen, ob eine Treibstoff Mehrfacheinspritzstrategie (pro Ansaughub) während der CSSRE-Betriebsweise durchgeführt werden sollte. Die zu untersuchenden Parameter können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Motorgeschwindigkeit (“N”), Kraftfahrzeuggeschwindigkeit (“VS”), Drosselposition (“TP”), Motorkühlmitteltemperatur (“ECT”), Zylinderkopftemperatur (“CHT”) und/oder Motorlast (“PER_LOAD”). Wenn die gemessenen Werte dieser Betriebsz Zustände oder Parameter vorher bestimmte Schwellenwerte für diese Parameter übersteigen, fährt die Steuerung 14 in Schritt 108 fort.
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In Schritt 108 berechnet die Steuerung 14 die Gesamtmenge injizierten Treibstoffs pro Ansaughub als Funktion des CSSRE-Luft/Treibstoffverhältnis-Zeitplans oder der Strategie. Die Steuerung 14 bestimmt 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/Kraftfahrzeugbetriebsparametern. Die Steuerung fährt dann in Schritt 110 fort, wo sie die Zeitabstimmung der IVC und IVO-Ereignisse (bspw. relativ zur Kurbelwellensteuerposition im Ansaughub) und Dauer der Ereignisse, auf Grundlage der berechneten oder erwünschten Anzahl Einspritzereignisse pro Ansaughub, Treibstoffmenge pro Einspritzen und andere Betriebszustände bestimmt und/oder berechnet. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform wird einzelnes kontinuierliches Einspritzen eingesetzt, während mehrere Gaswechselventilbetätigungen (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, indem dieser auf den Wert 1 gesetzt wird. In Schritt 114 werden die Resultate der Treibstoff- und Ventilzeitberechnungen in der Steuerung 14 gespeichert. Die erste Treibstoffeinspritzmenge und IVC/IVO-Ereignisse werden sodann geplant und durchgeführt, wie in Schritt 116 gezeigt. Insbesondere generiert die Steuerung 14 Befehle an die Zumeß-Einrichtung 20 und das variable Gaswechselventil Zeitgebersystem 16, um die erwünschten Einspritz- und Gaswechselventilereignisse 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-Einspritz-Zustände 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 werden 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 durchgeführt wird.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die exakten Verfahren 40, 100 beschränkt, 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.
