DE102008037129A1

DE102008037129A1 - Steuerungsstrategie für einen Übergang zwischen Verbrennungsmodi in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008037129A1
Application number: DE102008037129A
Authority: DE
Inventors: Chen-Fang Troy Chang; Jun-Mo Ann Arbor Kang; Jyh-Shin Troy Chen; Man-Feng Troy Chang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US20090048757A1

Abstract

Ein Verbrennungsmotor ist in einem von mehreren Verbrennungsmodi selektiv betreibbar. Ein Motorbetrieb wird überwacht, und ein Programmcode wird gleichzeitig ausgeführt, um den Motor in einem ersten Verbrennungsmodus und in einem zweiten Verbrennungsmodus zu betreiben. Der Motor wird vorzugsweise in dem zweiten Verbrennungsmodus betrieben, wenn der Motorbetrieb innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erfolgt, und wird basierend auf dem überwachten Motorbetrieb selektiv in dem ersten Verbrennungsmodus betrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 13.08.2007 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/955,635, die hierdurch hierin durch Verweis einbezogen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf einen Betrieb und eine Steuerung von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezüglich der vorliegenden Offenbarung und mögen keinen Stand der Technik bilden.
Bekannte Benzinmotoren bzw. Motoren mit Fremdzündung (im Folgenden 'SI') führen ein Luft/Kraftstoffgemisch in jeden Zylinder ein, welches in einem Kompressionshub komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Bekannte Dieselmotoren bzw. Motoren mit Kompressionszündung spritzen nahe dem oberen Totpunkt (im Folgenden 'TDC') des Kompressionshubs unter Druck gesetzten Kraftstoff in einen Verbrennungszylinder ein, der bei Einspritzung zündet. Eine Verbrennung für sowohl Benzinmo toren als auch Dieselmotoren ist mit durch Fluidmechanik gesteuerten vorgemischten oder Diffusionsflammen verbunden.
SI-Motoren können in einer Vielzahl verschiedener Verbrennungsmodi arbeiten, die einen homogenen SI-Verbrennungsmodus (im Folgenden 'SI-H') oder einen SI-Verbrennungsmodus mit Schichtladung (im Folgenden 'SI-SC') einschließen. In einem SI-H-Verbrennungsmodus ist die Zylinderladung hinsichtlich Zusammensetzung, Temperatur und restlicher Abgase zum Zeitpunkt einer Fremdzündung homogen. Die Kraftstoffmenge ist zum Zündzeitpunkt, der nahe dem Ende des Kompressionshubes eintritt, überall in der Zylinderkammer gleichmäßig verteilt. Das Luft/Kraftstoffverhältnis ist vorzugsweise stöchiometrisch. In einem SI-SC-Verbrennungsmodus kann das Luft/Kraftstoffverhältnis überstöchiometrisch sein. Die Kraftstoffmenge sollte in der Zylinderkammer mit kraftstoffreichen bzw. fetten Schichten um die Zündkerze und magereren Luft/Kraftstoffbereichen weiter außen geschichtet sein. Der Zeitpunkt für Kraftstoff kann nahe einem Zündzeitpunkt liegen, um zu verhindern, dass das Luft/Kraftstoffgemisch sich in ein gleichmäßig ausgegebenes Gemisch homogenisiert. Die Kraftstoffpulsbreite kann enden, wenn das Zündereignis beginnt oder im Wesentlichen vorher. Bei Zündung brennen die fetten Schichten schnell und effizient. Während der Verbrennungsprozess in die magereren Bereiche fortschreitet, kühlt die Flammenfront schnell, was zu niedrigeren NOx-Emissionen führt.
SI-Motoren können angepasst werden, um in einem Verbrennungsmodus mit Kompressions- bzw. Selbstzündung und homogener Ladung (im Folgenden 'HCCI'), worauf auch als Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung verwiesen wird, unter vorbestimmten Drehzahl/Lastbetriebsbedingungen zu arbeiten. Die Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung umfasst einen verteilten, flammlosen Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, der durch Oxidationschemie gesteuert wird. Ein Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, hat eine Zylinderladung, die in Zusammensetzung, Temperatur und restlichen Abgasen zu Schließzeiten von Einlassventilen vorzugsweise homogen ist. Eine Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung ist ein verteilter, kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess, wobei der Motor bei einem verdünnten Luft/Kraftstoffgemisch, d. h. einem überstöchiometrischen Punkt für Luft/Kraftstoff, mit verhältnismäßig niedrigen Spitzentemperaturen der Verbrennung arbeitet, was zu niedrigen NOx-Emissionen führt. Das homogene Luft/Kraftstoffgemisch minimiert das Auftreten fetter Zonen, die Rauch und Partikelemissionen bilden.
In einem für mehrere Verbrennungsmodi ausgelegten Motor kann ein Umschalten zwischen den verschiedenen Verbrennungsmodi vorteilhaft sein. Verschiedene Verbrennungsmodi in ähnlichen Drehzahl/Lastsituationen können Leistungsunterschiede hinsichtlich Motorstabilität, Emissionen und Kraftstoffverbrauch aufweisen. Ein Übergehen zu einem bestimmten Modus mit der besten Leistung in einer bestimmten Situation ist daher vorzuziehen. Die Auswahl, in welchem Verbrennungsmodus man arbeitet, basiert darauf, welcher Verbrennungsmodus eine bessere Leistung bei einer bestimmten Motorlast und Drehzahl liefert. Wenn eine Änderung der Drehzahl und/oder Motorlast das Umschalten in einen anderen Verbrennungsmodus rechtfertigt, wird eine Übergangsstrategie ausgeführt, und der Motor geht in den anderen Verbrennungsmodus über.
Wenn die Anzahl von Verbrennungsmodi zunimmt, können ein Übergehen zwischen Verbrennungsmodi und Koordinieren von Übergangen kompliziert sein. Das Motorsteuerungsmodul muss den Motor in mehreren Verbrennungsmodi betreiben und zwischen diesen nahtlos umschalten können. Ohne eine robuste Schaltstrategie könnte ein signifikantes schwankendes Verhalten auftreten, was eine unvollständige Verbrennung und Fehlzündungen zur Folge hat, die zu Drehmomentstörungen und/oder unerwünschten Emissionen führen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verbrennungsmotor ist in einem ersten oder zweiten Verbrennungsmodus selektiv betreibbar. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors beinhaltet ein Überwachen eines Motorbetriebspunktes und gleichzeitiges Ausführen eines ersten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem ersten Verbrennungsmodus zu steuern, und Ausführen eines zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem zweiten Verbrennungsmodus zu steuern. Der Motor wird vorzugsweise in dem zweiten Verbrennungsmodus betrieben, wenn der Betriebspunkt des Motors innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs für den zweiten Verbrennungsmodus liegt, und selektiv in dem ersten Verbrennungsmodus betrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 beispielhafte Drehzahl- und Lastbetriebsbereiche für verschiedene Verbrennungsmodi gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch veranschaulicht;
3 eine beispielhafte Drehzahl-Last-Abbildung, die über den Standard-Verbrennungsmodus gelegt ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4 ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
5A und 5B beispielhafte Übergangsschemata gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, worin die Darstellungen allein zum Zwecke einer Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zwecke der Beschränkung derselben dienen, zeigt 1 schematisch einen Verbrennungsmotor 10 und ein zugehöriges Steuerungsmodul 5. Der Motor 10 ist in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung, einem Verbrennungsmodus mit homogener Fremdzündung und einem Verbrennungsmodus mit Fremdzündung und Schichtladung selektiv betreibbar.
Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und Direkteinspritzung mit hin- und hergehenden Kolben 14, die innerhalb der Zylinder 15 verschiebbar beweglich sind, welche Verbrennungskammern 16 mit variablen Volumina definieren. Jeder Kolben 14 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch die ihre lineare hin- und hergehende Bewegung in eine Rotationsbewegung übersetzt wird. Ein Luftansaugsystem liefert Ansaugluft an einen Ansaugkrümmer 29, der Luft in einen Ansaugkanal leitet und zu jeder Verbrennungskammer 16 verteilt. Das Luftansaugsystem umfasst ein Luftstrom-Leitungssystem und Einrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms. Die Luftansaugeinrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassenstromsensor 32 zum Überwachen des Luftmassenstroms und der Ansauglufttemperatur. Ein Drosselventil 34 umfasst vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung, die einen Luftstrom zum Motor 10 als Antwort auf ein Steuerungssignal (im Folgenden 'ETC') vom Steuerungsmodul 5 steuert. Ein Drucksensor 36 im Krümmer ist dafür eingerichtet, den Absolutladedruck und barometrischen Druck zu überwachen. Ein externer Stromdurchgang führt Abgase vom Motorauspuff zum Ansaugkrümmer mit einem Stromsteuerventil zurück, worauf als Abgasrückführungsventil ('EGR') 35 verwiesen wird. Das Steuerungsmodul 5 ist betreibbar, um einen Massenstrom von Abgas zum Ansaugkrümmer 29 durch Steuern eines Öffnens des EGR-Ventils 38 zu steuern.
Ein Luftstrom vom Ansaugkrümmer 29 in jede der Verbrennungskammern 16 wird durch ein oder mehr Ansaug- bzw. Einlassventile 20 gesteuert. Ein Strom verbrannter Gase von jeder der Verbrennungskammern 16 zu einem Abgaskrümmer 39 wird durch ein oder mehr Auslassventile 18 gesteuert. Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 werden vorzugsweise mit einer dualen Nockenwelle (wie dargestellt) gesteuert, deren Rotationen mit einer Rotation der Kurbelwelle 12 verknüpft sind und indexiert sind bzw. taktweise ausgeführt werden. Der Motor 10 ist mit Einrichtungen zum Steuern eines Ventilhubs der Einlassventile und der Auslassventile versehen, worauf als Einrichtungen zur variablen Hubsteuerung (im Folgenden ('VLC') verwiesen wird. Die Einrichtungen zur variablen Hubsteuerung sind betreibbar, um einen Ventilhub oder ein Öffnen zu einer von zwei verschiedenen Stufen zu steuern, z. B. ein Ventilöffnen mit niedrigem Hub (etwa 4–6 mm) für einen Motorbetrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last und ein Ventilöffnen mit hohem Hub (etwa 8–10 mm) für einen Motorbetrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Der Motor ist ferner ausgestattet mit Einrichtungen zum Steuern der Phasenlage (d. h. relative Zeitsteuerung bzw. Zeitpunkt) des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile 20 und 18, worauf als variable Nockenphasensteuerung bzw. -lage (im Folgenden 'VCP') verwiesen wird, um eine Phasenlage über diejenige hinaus zu steuern, die durch den zweistufigen VLC-Hub bewerkstelligt wird. Es gibt ein VCP/VLC-System 22 für die Einlassventile 20 und ein VCP/VLC-System 24 für die Motorauslassventile 18. Die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 werden durch das Steuerungsmodul 5 gesteuert und liefern zum Beispiel über Positions- bzw. Stellungssensoren für eine Nockenwellenrotation für die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle eine Signalrückkopplung zum Steuerungsmodul 5. Wenn der Motor 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus mit einer Ventilstrategie zur Abgasrekompression arbeitet, werden die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 vorzugsweise auf Ventilöffnungsvorgänge mit niedrigem Hub gesteuert. Wenn der Motor in dem Verbrennungsmodus mit homogener Fremdzündung arbeitet, werden die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 vorzugsweise auf die Ventilöffnungsvorgänge mit hohem Hub gesteuert, um Pumpverluste zu minimieren. Wenn im HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird, können Ventilöffnungsvorgänge mit niedrigem Hub und eine negative Ventilüberschneidung befohlen werden, um Reformate in der Verbrennungskammer 16 zu erzeugen. Es kann aufgrund physikalischer und mechanischer Eigenschaften des Systems einen Zeitabstand zwischen einem Befehl, eine Nockenphasenlage und/oder einen Ventilhub von einem der VCP/VLC-Systeme 22 und 24 zu ändern, und einer Ausführung des Übergangs geben.
Die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 für Einlass und Auslass haben beschränkte Befugnisbereiche, über die ein Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 18 und 20 gesteuert werden kann. VCP-Systeme können einen Befugnisbereich zur Phasensteuerung von etwa 60°–90° einer Nockenwellenrotation aufweisen, was somit gestattet, dass das Steuerungsmodul 5 ein Öffnen und Schließen von Ventilen vorrückt oder verzögert. Der Befugnisbereich zur Phasensteuerung ist definiert und beschränkt durch die Hardware des VCP und das Steuerungssystem, das das VCP betätigt. Die VCP/VLC-Systeme 22 und 24 für Einlass und Auslass können unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektronischen Steuerungskraft betätigt werden, die durch das Steuerungsmodul 5 gesteuert wird. Eine Ventilüberschneidung der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 bezieht sich auf eine Periode, die ein Schließen des Auslassventils 18 in Bezug auf ein Öffnen des Einlassventils 20 für einen Zylinder definiert. Die Ventilüberschneidung kann in Kurbelwinkelgraden gemessen werden, wobei sich eine positive Ventilüberschneidung (im Folgenden 'PVO') auf eine Periode bezieht, worin sowohl das Auslassventil 18 als auch das Einlassventil 20 offen sind, und sich eine negative Ventilüberschneidung (im Folgenden 'NVO') auf eine Periode zwischen einem Schließen des Auslassventils 18 und einem nachfolgendem Öffnen des Einlassventils 20 bezieht, wobei sowohl das Einlassventil 20 als auch das Auslassventil 18 geschlossen sind. Wenn im HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird, können die Einlass- und Auslassventile als Teil einer Strategie zur Abgasrekompression eine NVO aufweisen. In einem SI-H-Verbrennungsmodus gibt es eine PVO.
Der Motor 10 enthält ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mehreren Hochdruck-Kraftstoffeinspritzern 28, die jeweils dafür eingerichtet sind, als Antwort auf ein Signal (im Folgenden 'INJ_PW') vom Steuerungsmodul 5 eine Kraftstoffmenge direkt in eine der Verbrennungskammern 16 einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzer 28 werden mit unter Druck gesetztem Kraftstoff von einem Kraftstoffeinspritzsystem versorgt.
Der Motor 10 enthält ein Fremdzündungssystem, durch das als Antwort auf ein Signal (im Folgenden 'IGN') vom Steuerungsmodul 5 Zündfunkenenergie an eine Zündkerze 26 zum Zünden oder Unterstützen beim Zünden von Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern 16 geliefert wird. Die Zündkerze 26 fördert die Zündzeitpunktsteuerung des Motors unter bestimmten Bedingungen (z. B. während eines Kaltstarts oder nahe einer Betriebsgrenze mit niedriger Last).
Der Motor 10 ist mit verschiedenen Abfühleinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs einschließlich Überwachen der Rotationsstellung der Kurbelwelle, d. h. Kurbelwinkel und -drehzahl, ausgestattet. Abfühleinrichtungen umfassen einen Sensor für die Kurbelwellendrehzahl ('Kurbelsensor') 42, einen Verbrennungssensor 30, der dafür eingerichtet ist, eine Verbrennung zu überwachen, und einen Abgassensor 40, der dafür eingerichtet ist, Abgase zu überwachen, vorzugsweise einen Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit weitem Bereich in dieser Ausführungsform. Der Verbrennungssensor 30 umfasst eine Sensoreinrichtung, die dahingehend tätig ist, einen Zustand eines Verbrennungsparameters zu überwachen, und ist als Zylinderdrucksensor dargestellt, der dahingehend tätig ist, einen Verbrennungsdruck im Zylinder zu überwachen. Die Ausgaben des Verbrennungssensors 30, des Abgassensors 40 und des Kurbelsensors 42 werden durch das Steuerungsmodul 5 überwacht, welches eine Phasensteuerung bzw. Phasenlage der Verbrennung bestimmt, d. h. einen Zeitpunkt bzw. Zeitsteuerung des Verbrennungsdrucks in Bezug auf den Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus. Der Verbrennungssensor 30 kann auch durch das Steuerungsmodul 5 überwacht werden, um einen mittleren effektiven Druck (im Folgenden 'IMEP') für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus zu bestimmen. Der Motor 10 und das Steuerungsmodul 15 sind vorzugsweise mechanisch dafür ausgelegt, Zustande des IMEP für jeden der Motorzylinder 15 während jedes Zylinderzündereignisses zu überwachen und zu bestimmen. Alternativ dazu können andere Abfühlsysteme genutzt werden, um Zustände anderer Verbrennungsparameter innerhalb des Umfangs der Offenbarung zu überwachen, z. B. Zündsysteme mit Innenerfassung (A) und nicht intrusive Zylinderdrucksensoren.
Der Motor 10 ist dafür ausgelegt, ungedrosselte Benzin- oder ähnliche Kraftstoffmischungen in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung über einen ausgedehnten Bereich von Motordrehzahlen und- lasten zu verarbeiten. Ein Betrieb mit Fremdzündung und gesteuerter Drossel kann jedoch genutzt werden unter Bedingungen, die für den Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung nicht förderlich sind, und um maximale Motorleistung zu erhalten, um eine Drehmomentanforderung des Fahrers mit durch die Motordrehzahl und -last definierter Motorleistung zu erfüllen. Weithin verfügbare Güten an Benzin- und leichten Ethanolmischungen davon sind bevorzugte Kraftstoffe; jedoch können alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe wie z. B. Mischungen höherer Ethanole (z. B. E80. E85), unverdünntes Ethanol (E99), unverdünntes Methanol (M 100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase und andere verwendet werden.
Das Steuerungsmodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die oben erwähnten Stellglieder zu steuern, um einen Motorbetrieb steuern, einschließlich einer Drosselstellung, eines Zündzeitpunktes, Menge und Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung, Zeitsteuerung und Phasenlage von Einlass- und/oder Auslassventilen und einer EGR-Ventilstellung, um einen Strom rückgeführter Abgase zu steuern. Die Ventilzeitsteuerung und -phasenlage können eine vorbestimmte Ventilüberschneidung einschließlich NVO und einen niedrigen Hub der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 in einer Strategie zur erneuten Abgasbelüftung einschließen. Das Steuerungsmodul 5 ist dafür eingerichtet, Eingangssignale von einem Fahrer, zum Beispiel von einer Drossel- bzw. Gaspedalstellung und einer Bremspedalstellung, um eine Drehmomentanforderung eines Fahrers zu bestimmen, und von den Sensoren zu empfangen, die die Motordrehzahl, Ansauglufttemperatur, Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben.
Das Steuerungsmodul 5 ist vorzugsweise ein digitaler Mehrzweckcomputer, der allgemein einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien mit einem nicht flüchtigem Speicher, der einen Nur-Lesespeicher und einen elektrisch programmierbaren Nur-Lesespeicher einschließt, einen Direktzugriffsspeicher, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- und Digtal-Analog-Schaltungsanordnung und eine Schaltungsanordnung und Einrichtungen für Eingabe/Ausgabe und eine geeignete Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung und Pufferung. Das Steuerungsmodul hat einen Satz von Steuerungsalgorithmen mit darin liegenden Programmanweisungen und Kalibrierungen, die im nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den oben erwähnten Abfühleinrichtungen zu überwachen und Steuerungs- und diagnostische Routinen auszuführen, um einen Betrieb der Stellglieder unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25, 25 und 100 Millisekunden während eines laufenden Motor-Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ dazu können Algorithmen als Antwort auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
2 stellt bevorzugte Arbeitsbereiche für den beispielhaften Motor 10 in Verbrennungsmodi mit Fremdzündung und gesteuerter Selbstzündung basierend auf Zuständen von Motorparametern schematisch dar – in dieser Ausführungsform Drehzahl und Last umfassend, die aus Motorparametern einschließlich des Kraftstoffstroms und des Ansaugkrümmerdrucks ableitbar ist. Die Verbrennungsmodi des Motors umfassen vorzugsweise einen Verbrennungsmodus mit Sprühnebel -geführter Fremdzündung ('SI-SG'), einen Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung und Einzeleinspritzung ('HCCI-SI') und einen Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung und Doppeleinspritzung ('HCCI-EI') und einen Verbrennungsmodus mit homogener Fremdzündung ('SI-H'). Ein bevorzugter Drehzahl- und Lastbetriebsbereich für jeden der Verbrennungsmodi basiert auf Motorbetriebsparametern einschließlich Verbrennungsstabilität, Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Motordrehmomentabgabe und anderen. Grenzen, welche die bevorzugten Drehzahl- und Lastbetriebsbereiche definieren, um einen Betrieb in den oben erwähnten Verbrennungsmodi abzugrenzen, werden vorzugsweise vorkalibriert und in dem Steuerungsmodul 5 gespeichert.
Der Motor 10 wird gesteuert, um bei einem bevorzugten Luft-Kraftstoffverhältnis zu arbeiten, und der Ansaugluftstrom wird gesteuert, um das bevorzugte Luft-Kraftstoffverhältnis zu erreichen. Dies beinhaltet ein Schätzen einer Zylinderluftladung basierend auf einem Motorbetrieb in dem ausgewählten Verbrennungsmodus. Das Drosselventil 34 und die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 werden gesteuert, um eine Stromrate der Ansaugluft basierend auf der geschätzten Zylinderluftladung zu erhalten, einschließlich während eines Übergangs zwischen den Verbrennungsmodi mit Fremdzündung und gesteuerter Selbstzündung. Ein Luftstrom wird gesteuert, indem das Drosselventil 34 und die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 eingestellt werden, um die Öffnungszeitsteuerung und -profile des (der) Einlass- und Auslassventils (e) 20 und 18 zu steuern. Ein Betrieb in den beiden Verbrennungsmodi erfordert verschiedene Einstellungen für die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 im Hinblick auf Ventilzeitsteuerung und -profile des (der) Einlass- und Auslassventils (e) 20 und 18 und des Drosselventils 34 für eine Drosselstellung. Beispielsweise ist das Drosselventil 34 im Verbrennungsmodus mit Selbstzündung vorzugsweise weit offen, wobei der Motor 10 bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, wohingegen das Drosselventil 34 gesteuert wird, um den Luftstrom zu regulieren, und der Motor 10 auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Verbrennungsmodus mit Fremdzündung gesteuert wird.
3 stellt eine Steuerungsstrategie zum Steuern und Betreiben des mit Verweis auf 1 und 2 beschriebenen Motors 10 in einem der Verbrennungsmodi dar. Einer der Verbrennungsmodi wird ausgewählt und als Standard-Verbrennungsmodus bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird der SI-H-Verbrennungsmodus als der Standard-Verbrennungsmodus bezeichnet. Die anderen Verbrennungsmodi werden als wählbare bzw. wahlfreie Verbrennungsmodi bezeichnet. Die Betriebsgrenze für Drehzahl und Last des Standard-Verbrennungsmodus ist in 3 durch die mit 'WOT' bezeichnete Linie für weit offene Drossel definiert, die angibt, dass er innerhalb des gesamten Betriebsbereichs für die Drehzahl/Last des Motors betriebsfähig bzw. wirksam ist. Die wahlfreien Verbrennungsmodi sind dem Standard-Verbrennungsmodus überlagert, um die relativen Drehzahlen/Lastparameter wie in 3 gezeigt darzustellen. Der Motor 10 kann in dieser Ausführungsform über den gesamten Drehzahl/Last-Betriebsbereich in dem Standard-Verbrennungsmodus arbeiten.
Der Standard-Verbrennungsmodus umfasst vorzugsweise den Verbrennungsmodus, bei dem der Motor 10 über einen weiten Bereich von Motor drehzahlen und -lasten arbeitet. Es ist vorzuziehen, dass der Motor 10 im Standard-Verbrennungsmodus mit minimaler Steuerung einiger der Stellglieder, zum Beispiel der VCP/VLC-Systeme 22 und 24, und mit minimaler Rückkopplung von Sensoren und Abfühlsystemen und mit minimalen algorithmischen Ausführungen arbeitet. Somit kann der Motor 10 über einen weiten Bereich von Drehzahl/Lastkombinationen mit beschränkter Leistungsfähigkeit bei Abfühlen und Betätigung arbeiten. Für den beispielhaften Motor 10 ist der SI-H-Modus der bevorzugte Standard-Verbrennungsmodus. Die anderen Verbrennungsmodi, zum Beispiel der SI-SG-Modus, der HCCI-SI-Modus und der HCCI-DI-Modus, sind die wahlfreien Verbrennungsmodi, die wie in 3 gezeigt dem Standard-Verbrennungsmodus graphisch überlagert sind.
Das Steuerungsmodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um Steuerungseinstellungen für die oben erwähnten Stellglieder basierend auf überwachten Ausgaben von den Sensoren zu erzeugen. Die Steuerungseinstellungen beinhalten eine Drosselstellung, einen Zündzeitpunkt, Menge und Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung, Hub, Zeitsteuerung und Phasenlage von Einlass- und/oder Auslassventilen und die EGR-Ventilstellung, um einen Strom rückgeführter Abgase zu steuern. Das Steuerungsmodul 5 überwacht Eingabesignale von einem Fahrer, die eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung einschließen, um eine Drehmomentanforderung des Fahrers zu bestimmen, und überwacht die Sensoren, die die Motordrehzahl, Temperatur der Ansaugluftmenge, Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen. Das Steuerungsmodul 5 arbeitet, um vorzugsweise aus Nachschlagetabellen in einem Speicher Steuerungseinstellungen für die Stellglieder zu bestimmen, einschließlich (nach Bedarf) eines Zündzeitpunktes, einer EGR-Ventilstellung, einer Zeitsteuerung für Einlass- und Auslassventil und Einstellpunkte für einen zweistufigen Hubübergang und Menge und Zeit steuerung einer Kraftstoffeinspritzung. Das Steuerungsmodul 5 führt einen algorithmischen Code zum Betreiben des Motors 10 in dem Standard-Verbrennungsmodus zu allen Zeiten während eines Motorbetriebs aus, ungeachtet davon, in welchem der ausgewählten Verbrennungsmodi der Motor 10 zu der Zeit arbeitet. Der ausgeführte algorithmische Code wird genutzt, um den Motor 10 in dem Standard-Verbrennungsmodus zu steuern, wenn das Steuerungsmodul 5 den Standard-Verbrennungsmodus auswählt.
Wenn der Motor 10 innerhalb eines Betriebsbereichs des Motors arbeitet, der von einem der wahlfreien Verbrennungsmodi umgeben ist, betreibt das Steuerungsmodul 5 vorzugsweise den Motor 10 in dem wahlfreien Verbrennungsmodus, indem Steuerungsalgorithmen ausgeführt werden, um einen Motorbetrieb in dem wahlfreien Verbrennungsmodus zu steuern. Das Steuerungsmodul 5 führt gleichzeitig Steuerungsalgorithmen aus, die dazu dienen, den Motor 10 unter Verwendung des Standard-Verbrennungsmodus zu steuern. Dies beinhaltet ein Überwachen von Eingaben von Sensoren und Bestimmen von Stellgliedeinstellungen, um den Motor 10 in dem Standardmodus zu betreiben, einschließlich Steuerungseinstellungen für eine Pulsbreite des Kraftstoffeinspritzers (INJ_PW), einer Abgasrückführung (EGR), Ansaugluft (ETC), Zeitpunkt und Haltezeit der Fremdzündung (IGN). Die Steuerungseinstellungen für Stellglieder werden basierend auf überwachten Betriebsbedingungen des Motors bestimmt, um die Drehmomentanforderung des Fahrers zu erfüllen, wenn der Motor in dem Standardmodus arbeitet. Indem man so verfährt, kann bei Eintreten eines Ereignisses, zum Beispiel einer Störung, die es notwendig macht oder bewirkt, dass der Motor den gegenwärtig ausgewählten Betriebsmodus der Verbrennung verlässt, das Steuerungsmodul 5 einen Betrieb des Motors 10 mit minimaler Verzögerung und minimaler Unterbrechung eines Motorbetriebs von dem wahlfreien Verbrennungsmodus zu dem Stan dard-Verbrennungsmodus schalten. Ereignisse, welche ein Umschalten einer Motorsteuerung aus dem wahlfreien Verbrennungsmodus notwendig machen, können eine Feststellung von Komponenten- oder Systemstörungen bzw. -ausfällen unter Verwendung von Abfühlsystem an Bord und eines diagnostischen Algorithmus einschließen. Störungen können Komponentenstörungen an dem Verbrennungssensor 30, dem VCP/VLC-System 22 für Einlass und dem VCP/VLC-System 24 für Auslass einschließen.
4 stellt einen beispielhaften Betrieb des Systems dar. Während eines Betriebs im Vollmodus wählt das Steuerungsmodul 5 einen Motorbetrieb aus und steuert diesen einschließlich eines Übergangs zwischen einem Betrieb im Standard-Verbrennungsmodus und einem oder mehreren Betriebszuständen der wahlfreien Verbrennungsmodi, dargestellt als Verbrennungsmodus A, Verbrennungsmodus B und bis Verbrennungsmodus X einschließlich einer beliebigen Anzahl alternativer laufender Verbrennungsmodi. Mit Verweis auf den hierin oben beschriebenen Motor umfasst der Standardmodus den SI-H-Verbrennungsmodus, und die wahlfreien Verbrennungsmodi umfassen den SI-SG-Verbrennungsmodus, den HCCI-SI-Verbrennungsmodus und den HCCI-DI-Verbrennungsmodus. Ein Motorbetrieb wird überwacht, und diagnostische Algorithmen werden ausgeführt. Wenn eine Störung von einem der diagnostischen Algorithmen festgestellt wird, befiehlt das Steuerungsmodul ungeachtet der Betriebsbedingungen sofort einen Motorbetrieb im Standard-Verbrennungsmodus.
Das oben erwähnte Verfahren erhöht die Flexibilität beim Übergang zwischen den Verbrennungsmodi. Wie in 5A und 5B dargestellt ist, gibt es zwei mögliche Routen, um von einem Verbrennungsmodus A zu einem Verbrennungsmodus B überzugehen. 5A stellt einen direkten Übergang von Verbrennungsmodus A zum Verbrennungsmodus B dar. 5B stellt einen Übergang vom Verbrennungsmodus A zum Verbrennungsmodus B unter Verwendung des Standard-Verbrennungsmodus als Zwischen-Verbrennungsmodus dar. In einigen Fällen kann der in 5B dargestellte Übergang bevorzugt werden, da Übergänge zwischen jeden der wahlfreien Verbrennungsmodi und dem Standardmodus robuster und leichter zu implementieren sein können als direkte Übergänge je nach Eigenschaften des Motors 10.
Das gleiche Verfahren wie hierin oben beschrieben ist auch auf in mehreren Verbrennungsmodi selektiv betriebsfähigen Motoren anwendbar, die mit Verweis auf eine Ausführungsform mit einem Ottomotor beschrieben wurden. Eine alternative Anwendung des Verfahrens kann eine Ausführungsform eines Diesel- bzw. Kompressionszündungsmotors nutzen, der in einem Verbrennungsmodus mit Kompressionszündung (im Folgenden 'CI') und einem Verbrennungsmodus mit Kompressionszündung und vorgemischter Ladung (im Folgenden 'PCCI') selektiv betreibbar ist. In einer Ausführungsform ist der CI-Verbrennungsmodus vorzugsweise der Standard-Verbrennungsmodus, und der PCCI-Verbrennungsmodus ist der wahlfreie Verbrennungsmodus. Der PCCI-Verbrennungsmodus umfasst eine partielle Einspritzung von Kraftstoff früh im Kompressionshub des Verbrennungszyklus, was zu vorgemischtem Kraftstoff und Ansaugluft in der Verbrennungskammer führt, um eine Verbrennung bei niedriger Temperatur zu bewirken.
Die Offenbarung beschrieb bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu. Weitere Modifikationen und Änderungen können dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en), die als das zum Ausführen dieser Offenbarung betrachtete beste Verfahren offenbart wurde, beschränkt sein, sondern die Offenba rung schließt alle Ausführungsformen ein, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der in einem ersten und zweiten Verbrennungsmodus selektiv betreibbar ist und mit einem Steuerungsmodul betriebsfähig verbunden ist, das mehrere ausführbare Algorithmen enthält, mit den Schritten: Überwachen eines Motorbetriebspunktes; gleichzeitiges Ausführen eines ersten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem ersten Verbrennungsmodus zu steuern, und Ausführen eines zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem zweiten Verbrennungsmodus zu steuern; vorzugsweises Betreiben des Motors in dem zweiten Verbrennungsmodus, wenn der Motorbetriebspunkt innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs für den zweiten Verbrennungsmodus ist; und selektives Betreiben des Modus im ersten Verbrennungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Betriebsbereich für den zweiten Verbrennungsmodus weniger als einen gesamten Betriebsbereich für den ersten Verbrennungsmodus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit den Schritten: Überwachen eines Motorbetriebs; und selektives Betreiben des Motors in dem erstem Verbrennungsmodus, wenn eine Störung im Motorbetrieb festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem Schritt: Überführen eines Motorbetriebs von dem zweiten Verbrennungsmodus zu dem ersten Verbrennungsmodus, wenn die Motorstörung festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt: Überführen eines Motorbetriebs von dem zweiten Verbrennungsmodus zu dem ersten Verbrennungsmodus, wenn die Motorstörung in Motorkomponenten identifiziert wird, die einen Verbrennungssensor, ein variables Nockenphaseneinstellsystem und eine Steuerungseinrichtung für einen variablen Hub umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Überführen eines Motorbetriebs von dem zweiten Verbrennungsmodus zu einem dritten Verbrennungsmodus über einen zwischenstuflichen Motorbetrieb im ersten Verbrennungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit den Schritten: Unterbrechen eines Ausführens des zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor im zweiten Verbrennungsmodus zu steuern; und Ausführen eines dritten Algorithmus, der dazu dient, den Motor im dritten Verbrennungsmodus zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: kontinuierliches Ausführen des ersten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem ersten Verbrennungsmodus zu steuern, während eines Motorbetriebs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verbrennungsmodus einen Verbrennungsmodus mit Fremdzündung umfasst und der zweite Verbrennungsmodus einen Verbrennungsmodus mit sprühnebelgeführter Fremdzündung, einen Verbrennungsmodus mit Selbstzündung und Einzeleinspritzung und einen Verbrennungsmodus mit Selbstzündung und Doppeleinspritzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verbrennungsmodus einen Verbrennungsmodus mit Kompressionszündung umfasst und der zweite Verbrennungsmodus einen Verbrennungsmodus mit Kompressionszündung und vorgemischter Ladung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verbrennungsmodus einen Standard-Verbrennungsmodus umfasst und der zweite Verbrennungsmodus einen wahlfreien Verbrennungsmodus umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der in einem Standard-Verbrennungsmodus oder einem von mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi selektiv betreibbar ist, wobei der Motor mit einem Steuerungsmodul betriebsfähig verbunden ist, das mehrere ausführbare Algorithmen enthält, mit den Schritten: Überwachen eines Motorbetriebspunktes; Überwachen eines Motorbetriebs; gleichzeitiges Ausführen eines ersten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem Standard-Verbrennungsmodus zu steuern, und Ausführen eines zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in einem ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi zu steuern; vorzugsweises Betreiben des Motors in dem ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi, wenn der Motorbetriebspunkt innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs für den ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi liegt; und selektives Betreiben des Modus in dem Standard-Verbrennungsmodus, wenn der Motorbetriebspunkt innerhalb des vorbestimmten Betriebsbereichs für den ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeweilige vorbestimmte Betriebsbereiche für jeden der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi weniger als einen gesamten Betriebsbereich für den Standard-Verbrennungsmodus umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt: Überführen eines Motorbetriebs von dem ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi zu dem Standard-Verbrennungsmodus, wenn eine Motorstörung in Motorkomponenten identifiziert wird, die einen Verbrennungssensor, ein variables Nockenphaseneinstellsystem und eine Steuerungseinrichtung für einen variablen Hub umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt: Übergehen zwischen den mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi basierend auf dem Motorbetriebspunkt und jeweiligen vorbestimmten Betriebsbereichen für jeden der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt: Überführen eines Motorbetriebs von dem ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi zu einem zweiten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi über einen Motor-Zwischenbetrieb im Standard-Verbrennungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner mit den Schritten: Unterbrechen eines Ausführens des zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem ersten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi zu betreiben; und Ausführen eines dritten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in dem zweiten der mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Standard-Verbrennungsmodus einen Verbrennungsmodus mit Fremdzündung umfasst und wobei die mehreren wahlfreien Verbrennungsmodi einen Verbrennungsmodus mit sprühnebelgeführter Fremdzündung, einen Verbrennungsmodus mit Selbstzündung und Einzeleinspritzung und einen Verbrennungsmodus mit Selbstzündung und Doppeleinspritzung umfassen.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der in mehreren Verbrennungsmodi selektiv betreibbar ist und mit einem Steuerungsmodul betriebsfähig verbunden ist, das mehrere ausführbare Algorithmen enthält, mit den Schritten: Überwachen eines Motorbetriebspunktes; gleichzeitiges Ausführen eines ersten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in einem ersten Verbrennungsmodus zu steuern, und Ausführen eines zweiten Algorithmus, der dazu dient, den Motor in einem zweiten Verbrennungsmodus zu steuern; vorzugsweises Betreiben des Motors in dem zweiten Verbrennungsmodus, wenn der Motorbetriebspunkt innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs für den zweiten Verbrennungsmodus liegt und der vorbestimmte Betriebsbereich für den zweiten Verbrennungsmodus geringer als ein Betriebsbereich für den ersten Verbrennungsmodus ist; und selektives Betreiben des Modus in dem ersten Verbrennungsmodus.