DE102008037644A1 - Verfahren zum Steuern einer Zylinderladung in einem Dieselmotor mit homogener Ladung - Google Patents

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor enthält eine steuerbare Drosselsteuereinrichtung und steuerbare Motorventile. Ein Verfahren zum Steuern eines Motors beinhaltet ein Überwachen eines Motorbetriebs und eines Abgaszustroms und ein Abschätzen einer Temperatur einer Zylinderladung basierend auf dem überwachten Motorbetrieb. Eine Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung wird basierend auf dem überwachten Abgaszuentration der Zylinderladung und eine bevorzugte Temperatur der Zylinderladung werden bestimmt. Die Motorventile werden basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung gesteuert.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 17. 08. 2007 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/956,423, die hiermit durch Verweis hierin einbezogen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Steuern eines Betriebs von Verbrennungsmotoren mit einer Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung.
  • 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 typischerweise 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 Übergängen 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 enthält eine steuerbare Drosselsteuereinrichtung und steuerbare Motorventile. Ein Verfahren zum Steuern des Motors beinhaltet ein Überwachen des Motorbetriebs und eines Abgaszustroms und Abschätzen einer Temperatur einer Zylinderladung basierend auf dem überwachten Motorbetrieb. Eine Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung wird basierend auf dem überwachten Abgaszustrom bestimmt, und eine bevorzugte Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und eine bevorzugte Temperatur der Zylinderladung werden bestimmt. Die Motorventile werden basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der Sauerstoffkonzentration und der Zylinderladung und der geschätzten Temperatur der Zylinderladung gesteuert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Zeichnung eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 2 ein Datengraph gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 4A und 4B Datengraphen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, worin die Darstellungen nur zum Zwecke einer Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zwecke einer Beschränkung derselben dienen, zeigt 1 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, ein beigefügtes Steuerungsmodul 5 und ein Abgasnachbehandlungssystem 70, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 ist in mehreren Verbrennungsmodi einschließlich eines Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung, eines Verbrennungsmodus mit homogener Fremdzündung und eines Verbrennungsmodus mit Schichtladung und Fremdzündung selektiv betreibbar. Der Motor 10 ist selektiv betreibbar bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis und bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis, das vornehmlich überstöchiometrisch ist. Die Offenbarung kann für verschiedene Systeme von Verbrennungsmotoren und Verbrennungszyklen verwendet werden.
  • 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 ('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 eine Signalrückkopplung zum Steuerungsmodul 5 z. B. über Sensoren für die Nockenwellenrotationsstellung für die (nicht dargestellte) Einlassnockenwelle und die (nicht dargestellte) Auslassnockenwelle.
  • Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Systeme 22 und 24 haben beschränkte Zuständigkeits- bzw. Befugnisbereiche, über die Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 18 und 20 gesteuert werden können. VCP-Systeme haben einen Befugnisbereich bezüglich der Phasenlage bzw. zur Phasensteuerung von etwa 60° bis 90° einer Nockenwellenrotation, was somit gestattet, dass das Steuerungsmodul 5 ein Öffnen und Schließen von einem der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 vorrückt oder verzögert. Der Befugnisbereich zur Phasensteuerung wird durch die Hardware des VCP- und des Steuerungssystems, welches das VCP betätigt, definiert und beschränkt. Die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Systeme 22 und 24 können unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerungskraft betätigt werden, die durch das Steuerungsmodul 5 gesteuert wird.
  • Der Motor 10 enthält ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mehreren Hochdruck-Kraftstoffeinspritzern 28, die jeweils dafür eingerichtet sind, als Antwort auf ein Signal vom Steuerungsmodul 5 eine Kraftstoffmenge direkt in eine der Verbrennungskammern 16 einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzer 28 werden mit unter Druck gesetztem Kraftstoff von einem (nicht dargestellten) Kraftstoffeinspritzsystem versorgt.
  • Der Motor 10 enthält ein Fremdzündungssystem, durch das als Antwort auf ein Signal ('IGN') vom Steuerungsmodul 5 Zündfunkenenergie an eine Zündkerze 26 zum Zünden oder Unterstützen beim Zünden von Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern 16 geliefert wird.
  • 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 Ausgabe des Verbrennungssensors 30 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, Zustände 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 Ionenerfassung und nicht intrusive Zylinderdrucksensoren.
  • Das Steuerungsmodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die oben erwähnten Stellglieder zu steuern, um einen Motorbetrieb zu steuern, einschließlich Drosselstellung, Zündzeitpunkt, Menge und Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung, Zeitsteuerung und Phasenlage bzw. Phasensteuerung von Einlass- und/oder Auslassventilen und die Stellung des EGR-Ventils, um einen Strom rückgeführter Abgase zu steuern. Die Zeitsteuerung und Phasenlage von Ventilen schließt NVO und einen Hub des Auslassventils ein, das mit einer Strategie zur erneuten Abgasbelüftung wieder öffnet. Das Steuerungsmodul 5 ist dafür eingerichtet, Eingabesignale von einem Fahrer, z. B. eine Drosselpedalstellung und eine Bremspedalstellung, um eine Drehmomentanforderung des Fahrers zu bestimmen, und von den Sensoren zu empfangen, die die Motordrehzahl und die Ansauglufttemperatur und 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 Einga be/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.
  • Im Betrieb überwacht das Steuerungsmodul 5 Eingaben von den oben erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorparametern zu bestimmen. Das Steuerungsmodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die oben erwähnten Stellglieder zu steuern, um die Zylinderladung zu bilden, einschließlich eines Steuerns einer Drosselstellung, eines Zündzeitpunktes, Menge und Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung, EGR-Ventilstellung, um einen Strom rückgeführter Abgase zu steuern, und Zeitsteuerung und Phasenlage von Einlass- und/oder Auslassventilen an so ausgestatteten Motoren. Das Steuerungsmodul 5 kann arbeiten, um den Motor 10 während eines laufenden Fahrzeugbetriebs ein- und auszuschalten, und kann arbeiten, um einen Teil der Verbrennungskammern 16 oder einen Teil der Ventile durch eine Steuerung des Kraftstoffs und Zündfunkens und einer Ventilabschaltung selektiv zu deaktivieren.
  • 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 ('UpM' bzw. 'RPM') und Last ('LAST') umfassend, die aus Motorparametern einschließlich des Kraftstoffstroms und des Ansaugkrümmerdrucks ableitbar ist. Die Verbrennungsmodi des Motors umfassen vorzugsweise einen Verbrennungsmodus mit sprühnebelgeführter 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 vorbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis zu arbeiten, und der Ansaugluftstrom wird gesteuert, um das bevorzugte Luft-Kraftstoffverhältnis zu erreichen. Dies beinhaltet ein Abschätzen einer Zylinderladung basierend auf einem Motorbetrieb in dem ausgewählten Verbrennungsmodus. Das Drosselventil 34 und die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 können gesteuert werden, um eine Stromrate der Ansaugluft basierend auf der geschätzten Zylinderladung zu erhalten, einschließlich während eines Übergangs zwischen den Verbrennungsmodi mit Fremdzündung und mit gesteuerter Selbstzündung. Ein Luftstrom wird gesteuert, indem das VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 steuernde Drosselventil 34 eingestellt wird, um die Zeitsteue rung und Profile der Öffnungsvorgänge 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, -phasenlage und -hubprofile des (der) Einlass- und Auslassventils (e) 20 und 18 und ein Öffnen des Drosselventils 34. Beispielsweise wird das Drosselventil 34 vorzugsweise zu einer weit offenen Stellung in dem selbstgezündeten Verbrennungsmodus gesteuert, wobei der Motor 10 bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuert wird, während das Drosselventil 34 vorzugsweise gesteuert wird, um den Luftstrom zu regulieren, und der Motor 10 wird in dem fremdgezündeten Verbrennungsmodus auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuert.
  • In dem beispielhaften Motor 10 können die Sauerstoffkonzentration und Temperatur jeder Zylinderladung gesteuert werden, indem die Menge einer internen EGR durch Steuern des Öffnens und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 unter Verwendung der VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 variiert wird. Ist die Ventilbewegung einmal fixiert, bleiben die Partialdrücke der Ansaugluftladung und des Abgases, das im Zylinder verbleibt, konstant.
  • In der Strategie zur Abgasrekompression wird das Auslassventil 18 vor dem TDC geschlossen, und das Einlassventil 20 öffnet vor dem TDC, was eine Periode negativer Ventilüberschneidung (EVC-IVO) erzeugt, in der sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil geschlossen sind, wodurch das Abgas gefangen wird. In einer Ausführungsform öffnet das Auslassventil 18 bei ungefähr 10 bis 15 Grad vor dem unteren Totpunkt im Expansionshub und schließt während des Ausstoß- bzw. Auslasshubs in einem Bereich von 90 bis 45 Grad vor dem oberen Totpunkt. Das Einlassventil 20 wird vorzugsweise in dem Bereich von 45 bis 90 Grad nach dem oberen Totpunkt während des Ansaug- bzw. Einlasshubs geöffnet und ungefähr 30 Grad nach dem unteren Totpunkt im Kompressionshub geschlossen.
  • In der Strategie zur erneuten Abgasbelüftung wird das Auslassventil 18 für zwei separate Perioden während des Viertaktzyklus des Motors geöffnet. Das Auslassventil 18 wird für eine erste Periode während des Auslasshubs geöffnet, um zu ermöglichen, dass verbrannte Gase aus der Verbrennungskammer 16 ausgetrieben werden. Das Auslassventil 18 wird für eine zweite Periode während des Einlasshubs erneut geöffnet, um zu ermöglichen, dass verbrannte Gase, die vorher aus der Verbrennungskammer 16 ausgestoßen wurden, in die Verbrennungskammer 16 zurückgesaugt werden.
  • Ein für die Strategie zur Abgasrekompression oder erneuten Abgasbelüftung ausgerüsteter Motor enthält vorzugsweise eine elektrisch gesteuerte hydraulische oder elektromechanische Betätigung, d. h. eine vollständig flexible Ventilbetätigung. Alternativ dazu können Multiprofilnocken (mehrere Nasen, mehrstufig) und Auswahlmechanismen, Nockenphaseneinstelleinrichtungen oder andere Technologien zur mechanisch variablen Ventilbetätigung individuell oder in Kombination implementiert werden.
  • 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas zum Betreiben des mit Verweis auf 1 beschriebenen beispielhaften Motors 10 unter Verwendung einer ausgewählten Ventilstrategie, d. h. entweder der Strategie zur Abgasrekompression oder erneuten Abgasbelüftung. Betriebszustände des Motors 10 und des Abgassystems werden überwacht, einschließlich der Motordrehzahl, des Ansaugluftmassenstroms, der Ansauglufttemperatur und der Temperatur des Abgaszustroms, und das Zylindervolumen beim Schließen des Einlassventils kann bestimmt werden (300). Das Zylindervolumen beim Schließen des Einlassventils wird basierend auf einer vom Kurbelsensor 42 gemessenen Kolbenstellung bestimmt.
  • Eine Temperatur beim Schließen des Einlassventils ('TIVC') wird für den Verbrennungszyklus bestimmt (305). Die Temperatur beim Schließen des Einlassventils TIVC wird vorzugsweise bestimmt basierend auf Partialdrücken der Ansaugluftladung pip (301) und des Abgases pep, das in der Verbrennungskammer verbleibt (303). Wenn der Motor 10 ungedrosselt läuft, ist der durch den Luftmassenstromsensor 32 gemessene Ansaugluftmassenstrom ungefähr gleich dem Luftmassenstrom zum Ansaugkrümmer 29 durch das Einlassventil zum Zylinder 15. Damit können die Partialdrücke der Ansaugluftladung pip und des verbleibenden Abgases pep in der Verbrennungskammer 16 approximiert werden als:
    Figure 00140001
    wobei MAF ein gemessener Ansaugluftmassenstrom ist, R die Gaskonstante ist, V das Zylindervolumen beim Schließen eines Einlassventils ist, RPM die Motordrehzahl ist, pi der Ansaugkrümmerdruck ist und Tint die Temperatur der Ansaugluft ist.
  • Sind die Partialdrücke der Ansaugluftladung und des verbleibenden Abgases einmal bestimmt, kann die Temperatur der Zylinderladung beim Schließen des Einlassventils TIVC für den nächsten Verbrennungszyklus abgeschätzt werden (305). Die Temperatur der Zylinderladung beim Schließen eines Einlassventils TIVC für den nächsten Verbrennungszyklus kann bestimmt werden basierend auf den Partialdrücken der Ansaugluft ladung pip und des verbleibenden Abgases pip und der Abgastemperatur Texh. Die Abgastemperatur Texh wird bestimmt basierend auf einer überwachten Temperatur vom Abgassensor 40. Die Temperatur der Zylinderluftladung beim Schließen eines Einlassventils TIVC ist vorzugsweise gegeben durch:
    Figure 00150001
    wobei mint die Masse bzw. Menge der Ansaugluftladung in der Verbrennungskammer 16 ist, mexh die Menge des in der Verbrennungskammer 16 verbleibenden Abgases ist, Tint die Ansaugtemperatur ist, pi der Ansaugkrümmerdruck ist, pip der Partialdruck der Ansaugluftladung ist und pep der Partialdruck des in der Verbrennungskammer 16 verbleibenden Abgases ist. Sowohl der Partialdruck des Abgases pep als auch der Partialdruck der Ansaugluftladung pip bleiben konstant, solange eine Ventilbewegung der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 fixiert ist.
  • Die Steuerung zur Strategie umfasst ferner ein Bestimmen einer Luftmenge, verbrannt und oder nicht verbrannt, im Auslasskrümmer 39 (308). Die Luftmenge im Auslasskrümmer 39 kann bestimmt werden basierend auf einem Abgasluft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms. Das Abgasluft/Kraftstoffverhältnis kann gemessen werden unter Verwendung des Abgassensors 40 (300). Die gesamte Luftmenge einschließlich verbrannter oder nicht verbrannter Luft im Abgaszustand kann wie folgt ausgerückt werden, wobei angenommen wird, dass in die Verbrennungskammer 16 eingespritzter Kraftstoff vollständig verbrennt: ma = λmf [3]wobei λ das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms ist, ma die Gesamtmenge der verbrannten und nicht verbrannten Luft im Auslasskrümmer 39 ist und mf die verbrannte Kraftstoffmenge im Auslasskrümmer 39 ist.
  • Ist die Luftmenge einmal bestimmt, kann der Bruchteil fexh an verbranntem Gas des Abgases bestimmt werden, der das Auslassventil verlässt und in den Abgaszustrom gelangt (310). Der Bruchteil fexh an verbranntem Gas des Abgases kann basierend auf einem überwachten Abgasluft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms, einer Gesamtmenge verbrannter und nicht verbrannter Luft im Auslasskrümmer 39 berechnet werden.
  • Da die gesamte Abgasmenge die Summe aus verbranntem Kraftstoff und Luft, verbrannt oder nicht verbrannt, ist, kann der Bruchteil fexh an verbranntem Gas im Auslasskrümmer unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:
    Figure 00160001
    wobei λs das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist.
  • Ist der Bruchteil fexh an verbranntem Gas des Abgases einmal bestimmt, kann ein Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung bestimmt werden (313). Der Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung ist definiert als das Verhältnis zwischen der Menge an (durch einen vorherigen Verbrennungsprozess) verbranntem Kraftstoff und der Gesamtmenge der Zylinderladung. Es wird angenommen, dass es keine externe EGR gibt, d. h. die Ansaugluftladung durch das Einlassventil besteht aus nur frischer Luft. Der Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung wird vorzugsweise unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
    Figure 00170001
    wobei fcyl der Bruchteil an verbranntem Gas der Zylinderladung ist, fexh der Bruchteil an verbranntem Gas des Abgases ist, der das Auslassventil 18 verlässt, mEGR die Menge Abgas ist, die in der Verbrennungskammer 18 verbleibt, und mcyl die Menge der Zylinderladung ist.
  • Ist der Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung einmal bestimmt, wird eine Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung bestimmt (315). Die Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung kann basierend auf dem Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung approximiert werden. Gleichungen (1), (4) und (5) werden kombiniert, was angibt, dass der Bruchteil fcyl an verbranntem Gas der Zylinderladung und der Bruchteil fexh an verbranntem Gas des Abgases unter Verwendung mehrerer messbarer Variablen berechnet werden können. Die Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung kann berechnet werden basierend auf Bestandteilen der trockenen Luft (Mol O2:Mol N2 = 1:3,8) und wird vorzugsweise unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
    Figure 00170002
  • Sind die Temperatur beim Schließen des Einlassventils TIVC und die Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung einmal bestimmt, wird eine ge wichtete Metrik der Temperatur beim Schließen eines Einlassventils TIVC und der Sauerstoffkonzentration bestimmt (320). Die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur der Zylinderladung können durch Steuern der Zeitsteuerung, der Phasenlage und des Hubs der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 nicht unabhängig gesteuert werden. Daher wird die gewichtete Metrik als eine Steuerungsvariable genutzt, um VLC/VCP-Einrichtungen 22 und 24 unabhängig zu steuern, um das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 zu steuern. Die gewichtete Metrik ist gegeben durch
    Figure 00180001
    wobei O d / 2 eine gewünschte Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung ist, T d / IVC eine gewünschte Temperatur der Zylinderladung ist, T ^IVC die abgeschätzte Ladungstemperatur aus Gl. (2) ist und die w1 und w2 vorzugsweise vorbestimmte gewichtete Koeffizienten sind, die für die spezifische Anwendung bestimmt wurden.
  • Ein Controller mit Einzeleingabe und Einzelausgabe (SISO) kann genutzt werden, um Öffnen und Schließen der Motorventile zu steuern, einschließlich in dieser Ausführungsform eines Steuerns der Zeitsteuerung, Phasenlage und des Hubs der Motorventile unter Verwendung der VCP/VLC-Systeme 22 und 24 basierend auf der bestimmten gewichteten Metrik (325). Der SISO-Controller gibt die Motorventilstellungen aus, und das Steuerungsmodul 5 steuert die Motorventile.
  • 4A stellt experimentelle Daten dar, die von einem HCCI-Motor mit Einzelzylinder erfasst wurde, der mit der Strategie zur Abgasrekompression arbeitet, die einen Motorbetrieb unter Verwendung des hierin be schriebenen Systems veranschaulicht. 4B stellt experimentell Daten dar, die von einem HCCI-Motor mit Einzelzylinder erfasst wurden, der mit der Strategie zur erneuten Abgasbelüftung arbeitet, die einen Motorbetrieb veranschaulicht. Die experimentellen Daten wurden erhalten von dem HCCI-Motor, der unter ungedrosselten Bedingungen mit Strategien zur Abgasrekompression und erneuten Abgasbelüftung bei 1000 UpM ohne externe EGR mit festgelegten Öffnungs- und Schließvorgängen der Einlass- und Auslassventile und mit konstanter Ansauglufttemperatur arbeitet. Die Kraftstoffzufuhrrate ('Kraftstoff') wurde erhöht und anschließend verringert, was ein Erhöhen und anschließendes Verringern der Abgastemperatur ('Abgastemperatur') zur Folge hatte. Die Abgastemperatur wurde unter Verwendung eines an dem Auslasskanal gelegenen Thermoelements gemessen.
  • Die Ergebnisse in 4A und 4B demonstrieren, dass der gemessene Ansaugluftmassenstrom ('Luftmassenstrom') bei einem konstanten Wert mit Änderungen in der Abgastemperatur gehalten wird, während sich die Kraftstoffzufuhrrate ändert, was somit eine Zeitsteuerung der Verbrennung bewirkt, wie sie durch die Lage eines Spitzenzylinderdrucks ('Lage des Spitzendrucks') angegeben wird. Da die Ansaugtemperatur während des Experiments konstant bestimmt wurde, bleibt der Partialdruck der Ansaugluftladung konstant, selbst wenn sich die Abgastemperatur ändert. Dies zeigt, dass der Partialdruck des Abgases, das in der Verbrennungskammer 16 verbleibt, konstant bleibt. Überdies ist die Summe dieser beiden Partialdrücke der gesamte Zylinderladungsdruck und ist ungefähr gleich dem Druck beim Schließen des Einlassventils, der ungefähr der Umgebungsdruck unter ungedrosselten Betriebsbedingungen ist.
  • 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 sollte die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als das zum Ausführen dieser Offenbarung betrachtete beste Verfahren offenbart wurde; sondern die Offenbarung enthält alle Ausführungsformen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, der eine steuerbare Drosselsteuereinrichtung und steuerbare Motorventile enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Überwachen eines Motorbetriebs und eines Abgaszustroms; Abschätzen einer Temperatur der Zylinderladung basierend auf dem überwachten Motorbetrieb; Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung basierend auf dem überwachten Abgaszustrom; Bestimmen einer bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und einer bevorzugten Temperatur der Zylinderladung; und Steuern der Motorventile basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Überwachen eines Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgaszustroms; Bestimmen einer Gesamtluftmenge im Abgaszustrom basierend auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt: Bestimmen eines Bruchteils an verbranntem Gas des Abgaszustroms basierend auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms und der Gesamtluftmenge im Abgaszustrom.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer Menge des Abgases, das in der Verbrennungskammer verbleibt; und Bestimmen des Bruchteils an verbranntem Gas der Zylinderladung für die Verbrennungskammer basierend auf dem Bruchteil an verbranntem Gas des Abgaszustroms und der Menge des Abgases, das in der Verbrennungskammer bleibt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt: Bestimmen der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung basierend auf dem Bruchteil an verbranntem Gas der Zylinderladung.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer gewichteten Metrik basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung und der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung; und Steuern eines Öffnens und Schließens der Motorventile basierend auf der gewichteten Metrik.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Überwachen eines Ansaugluftmassenstroms, einer Ansauglufttemperatur, einer Motordrehzahl und einer Kolbenstellung; Bestimmen eines Zylindervolumens beim Schließen des Einlassventils basierend auf der überwachten Kolbenstellung; und Approximieren eines Partialdruckes der Ansaugluftladung basierend auf dem Ansaugluftmassenstrom, der Ansauglufttemperatur, der Motordrehzahl und des Zylindervolumens beim Verschließen des Einlassventils.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit den Schritten: Überwachen eines Ansaugkrümmerdrucks; und Approximieren eines Partialdrucks des Abgases, das in einer Verbrennungskammer bleibt, basierend auf dem Partialdruck der Ansaugluftladung und dem Ansaugkrümmerdruck.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten: Überwachen einer Ansaugluftmenge und einer Menge des Abgases, das in einer Verbrennungskammer nach einer Verbrennung verbleibt; Bestimmen einer Abgastemperatur; und Abschätzen der Temperatur einer Zylinderladung basierend auf dem Partialdruck der Ansaugluftladung, dem Partialdruck des Abgases, das in der Verbrennungskammer verbleibt, der Abgastemperatur, der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftmenge und der Menge des Abgases, das nach einer Verbrennung in der Verbrennungskammer verbleibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Steuern eines Öffnens und Schließens der Motorventile basierend auf einer Differenz zwischen den abgeschätzten und bevorzugten Sauerstoffkonzentrationen der Zylinderladung und einer Differenz zwischen den abgeschätzten und den bevorzugten Temperaturen der Zylinderladung.
  11. Verfahren zum Steuern von Motorventilen eines Verbrennungsmotors, mit den Schritten: Überwachen eines Motorbetriebs und eines Abgaszustroms; Approximieren eines Partialdruckes einer Ansaugluftladung basierend auf einem Ansaugluftmassenstrom, einer Ansauglufttemperatur, einer Motordrehzahl und einem Zylindervolumen beim Schließen eines Einlassventils; Approximieren eines Partialdruckes eines Abgases, das in einer Verbrennungskammer bleibt, basierend auf dem Partialdruck der Ansaugluftladung und dem Ansaugkrümmerdruck; Abschätzen einer Temperatur einer Zylinderladung basierend auf dem Partialdruck der Ansaugluftladung und dem Partialdruck des in der Verbrennungskammer verbleibenden Abgases; Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung basierend auf dem überwachten Abgaszustrom; und Steuern eines Öffnens und Schließens der Motorventile basierend auf der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Bestimmten einer bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und einer bevorzugten Temperatur der Zylinderladung; und Steuern der Motorventile basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung und der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Überwachen eines Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgaszustroms; Bestimmen einer Gesamtluftmenge im Abgaszustrom basierend auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt: Bestimmen eines Bruchteils an verbranntem Gas des Abgaszustroms basierend auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgaszustroms und der Gesamtluftmenge im Abgaszustrom.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer Menge des Abgases, das in einer Verbrennungskammer verbleibt; und Bestimmen eines Bruchteils an verbranntem Gas der Zylinderladung für die Verbrennungskammer basierend auf dem Bruchteil an verbranntem Gas des Abgaszustroms und der Menge des Abgases, das in der Verbrennungskammer verbleibt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit dem Schritt: Bestimmen der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung basierend auf dem Bruchteil an verbranntem Gas der Zylinderladung.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer gewichteten Metrik basierend auf der bevorzugten Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung, der bevorzugten Temperatur der Zylinderladung, der abgeschätzten Temperatur der Zylinderladung und der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung; und Steuern eines Öffnens und Schließens der Motorventile basierend auf der gewichteten Metrik.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Überwachen einer Ansaugluftmenge und einer Menge des Abgases, das nach einer Verbrennung in einer Verbrennungskammer verbleibt; Bestimmen einer Abgastemperatur; und Abschätzen der Temperatur der Zylinderladung basierend auf dem Partialdruck der Ansaugluftladung, dem Partialdruck des Abgases, das in der Verbrennungskammer verbleibt, der Abgastemperatur, der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftmenge und der Menge des Abgases, das nach einer Verbrennung in der Verbrennungskammer verbleibt.
  19. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt: Steuern eines Öffnens und Schließens der Motorventile basierend auf einer Differenz zwischen den abgeschätzten und bevorzugten Sauerstoffkonzentrationen der Zylinderladung und einer Differenz zwischen den abgeschätzten und den bevorzugten Temperaturen der Zylinderladung.
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