DE102011101911A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines mit einem Nachbehandlungssystem zur passiven selektiven katalytischen Reduktion gekoppelten Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines mit einem Nachbehandlungssystem zur passiven selektiven katalytischen Reduktion gekoppelten Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung ist mit einem System zur passiven SCR fluidisch gekoppelt, das einen katalytischen Dreiwegewandler stromaufwärts eines Katalysators zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion aufweist. Ein Wechsel von einem HCCI-Verbrennungsmodus in einen SI-Verbrennungsmodus umfasst, dass ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis ermittelt wird, um für einen vorbestimmten Motorbetriebspunkt während des SI-Verbrennungsmodus einen minimalen Kraftstoffverbrauch zu erreichen und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten. Ein Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, ein Motor-Zündfunkenzeitpunkt und ein Motorventilhub werden im Wesentlichen unmittelbar von den entsprechenden Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus auf die entsprechenden Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus gesteuert. Ein Wechsel zu dem bevorzugten Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird mit einem Wechsel einer Motorventilphase von einer entsprechenden Einstellung für den HCCI-Verbrennungsmodus zu einer entsprechenden Phaseneinstellung für den SI-Verbrennungsmodus abgestimmt.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/347,801, die am 24. Mai 2010 eingereicht wurde und die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor, der ausgebildet ist, um in zwei diskreten Verbrennungsmodi zu arbeiten, sowie Abgasnachbehandlungssysteme.
  • HINTERGRUND
  • Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
  • Bekannte Motoren mit Funkenzündung (SI-Motoren) leiten ein Luft/Kraftstoffgemisch in jeden Zylinder ein, das in einem Kompressionstakt komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Bekannte Motoren mit Kompressionszündung (CI-Motoren) spritzen unter Druck stehenden Kraftstoff in der Nähe eines oberen Totpunkts (TDC) des Kompressionstakts in einen Verbrennungszylinder ein, welcher Kraftstoff bei der Einspritzung zündet. Die Verbrennung umfasst sowohl für SI-Motoren als auch für CI-Motoren vorgemischte oder Diffusionsflammen, die durch die Fluidmechanik gesteuert werden.
  • SI-Motoren können in einer Vielzahl von verschiedenen Verbrennungsmodi arbeiten, die einen homogenen SI-Verbrennungsmodus und einen SI-Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung umfassen. SI-Motoren können ausgebildet sein, um unter vorbestimmten Drehzahl/Last-Betriebsbedingungen in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus) zu arbeiten, was auch als Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung bezeichnet wird. Der HCCI-Verbrennungsmodus umfasst einen verteilten, flammenlosen Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, der durch die Oxidationschemie gesteuert wird. Ein Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, weist eine Zylinderladung auf, die zu der Schließzeit des Einlassventils vorzugsweise homogen bezüglich der Zusammensetzung, der Temperatur und der restlichen Abgase ist. Die HCCI-Verbrennung ist ein verteilter, kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess, bei dem der Motor mit einem verdünnten Luft/Kraftstoffgemisch, d. h. magerer als am Luft/Kraftstoff-Stöchiometriepunkt, mit relativ niedrigen Spitzen-Verbrennungstemperaturen arbeitet, was zu geringen NOx-Emissionen führt. Das homogene Luft/Kraftstoffgemisch minimiert das Auftreten von fetten Zonen, die Rauch und Partikelemissionen bilden.
  • Eine Motorluftströmung kann gesteuert werden, indem die Position des Drosselventils und das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen selektiv angepasst werden. Bei derart ausgestatteten Motorsystemen kann das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile unter Verwendung eines Systems zur variablen Ventilbetätigung eingestellt werden, das eine variable Nockenphaseneinstellung und einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub umfasst, z. B. mehrstufige Nocken, die zwei oder mehr Ventilhubpositionen liefern. Im Gegensatz zu der Drosselpositionsänderung ist die Änderung der Ventilposition des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine Änderung mit diskreten Stufen.
  • Wenn ein Motor in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem die Drossel weit offen ist, um Motorpumpverluste zu minimieren. Wenn der Motor in dem SI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem das Drosselventil über einen Bereich von Positionen von 0% bis 100% der weit offenen Position gesteuert wird, um die Einlassluftströmung zum Erreichen des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses zu steuern.
  • In einem Motor, der ausgebildet ist, um in dem SI- und in dem HCCI-Verbrennungsmodus zu arbeiten, kann ein Wechseln zwischen Verbrennungsmodi komplex sein. Das Motorsteuermodul muss die Betätigungen mehrerer Einrichtungen abstimmen, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis für die verschiedenen Modi zu liefern. Während eines Wechsels zwischen einem HCCI-Verbrennungsmodus und einem SI-Verbrennungsmodus tritt ein Umschalten des Ventilhubs nahezu verzögerungsfrei auf, während Einstellungen für Nockenphasensteller und Drücke in dem Krümmer eine langsamere Dynamik aufweisen. Bis das gewünschte Luft/Kraftstoffverhältnis erreicht ist, können eine unvollständige Verbrennung und eine Fehlzündung auftreten, was zu Drehmomentstörungen führt.
  • Der Zeitpunkt der Selbstzündungsverbrennung während des Motorbetriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus wird durch die Gastemperatur einer Zylinderladung vor und während der Kompression vor der Zündung und durch die Gemischzusammensetzung einer Zylinderladung beeinflusst. Ein gewünschter Selbstzündungszeitpunkt, der mit einer maximalen Effizienz verbunden ist, wird erreicht, indem alle beeinflussenden Parameter berücksichtigt werden, welche die Gastemperatur der Zylinderladung beeinflussen.
  • Bekannte Motoren, die in Selbstzündungs-Verbrennungsmodi arbeiten, berücksichtigen Betriebsbedingungen unter Verwendung von Kalibrierungstabellen als Teil eines Gesamt-Motorsteuerschemas, das in einem Motorsteuermodul ausgeführt wird. Bekannte HCCI-Motorsteuerschemata umfassen Kalibrierungen zum Steuern von Motorparametern basierend auf einer begrenzten Anzahl von Eingabeparametern, die beispielsweise die Motorlast, die Motordrehzahl und die Motorkühlmitteltemperatur umfassen. Gemessene Ausgabeparameter werden verwendet, um (unter anderem) die Menge von heißere Restgasen (mittels einer variablen Nockenphaseneinstellung) und die Menge von kalten Restgasen (mittels einer Abgasrückführungsrate) zu steuern und dadurch die Gastemperatur in dem Zylinder zu steuern.
  • Bekannte Steuersysteme verwenden Steueralgorithmen mit Rückkopplung, um Auswirkungen von Umwelt- und Umgebungsparametern auf den Zündungszeitpunkt und das Luft/Kraftstoffverhältnis zu kompensieren. Komplexe mehrdimensionale Kalibrierungstabellen können verwendet werden, um alle beeinflussenden Parameter zu berücksichtigen.
  • Bekannte Motoren, die bei Lastbedingungen in einem mittleren Bereich in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeiten, können den Kraftstoff spät in einem Verbrennungszyklus hinzufügen, um zusätzliche Kohlenwasserstoffe in einem Abgaszustrom zum Erzeugen von Ammoniak für die NOx-Reduktion zu liefern, wodurch Kraftstoff ohne einen entsprechenden Drehmomentnutzen verbraucht wird.
  • Bekannte Nachbehandlungssysteme für Motoren, die für einen Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus ausgebildet sind, können aktive Einspritzungssysteme zum Dosieren von Harnstoff oder anderen Reduktionsmitteln in den Abgaszustrom für eine selektive Katalysatorreduktion aufweisen.
  • Während einer erneuten Zündung des Motors nach einem Kraftstoffabschaltereignis arbeiten bekannte Motoren bei Stöchiometrie oder unterstöchiometrisch, um den Sauerstoff zu verbrauchen, der in einem katalytischen Dreiwegewandler gespeichert ist, und um einen Durchbruch von NOx zu verhindern, der mit dem mageren Motorbetrieb verbunden ist, wodurch Kraftstoff ohne einen entsprechenden Drehmomentnutzen verbraucht wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung ist mit einem System zur passiven SCR fluidisch gekoppelt, das einen katalytischen Dreiwegewandler stromaufwärts eines Katalysators zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion aufweist. Ein Wechsel von einem HCCI-Verbrennungsmodus in einen SI-Verbrennungsmodus umfasst, dass ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis ermittelt wird, um für einen vorbestimmten Motorbetriebspunkt während des SI-Verbrennungsmodus einen minimalen Kraftstoffverbrauch zu erreichen und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten. Ein Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, ein Motor-Zündfunkenzeitpunkt und ein Motorventilhub werden im Wesentlichen unmittelbar von den entsprechenden Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus auf die entsprechenden Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus gesteuert. Ein Wechsel zu dem bevorzugten Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird mit einem Wechsel einer Motorventilphase von einer entsprechenden Einstellung für den HCCI-Verbrennungsmodus zu einer entsprechenden Phaseneinstellung für den SI-Verbrennungsmodus abgestimmt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 eine schematische Zeichnung eines Verbrennungsmotors mit Funkenzündung, eines Abgasnachbehandlungssystems zur passiven SCR und eines begleitenden Steuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 2 ein Flussdiagramm einer Strategie zur passiven selektiven katalytischen Reduktion, welche vorteilhafterweise den Motor und das Abgasnachbehandlungssystem zur passiven SCR zum Bewirken einer NOx-Reduktion verwendet, gemäß der Offenbarung ist;
  • 3 ein Luft/Kraftstoffverhältnis in Relation zu einer Motorlast gemäß der Offenbarung graphisch darstellt, wenn eine Ausführungsfarm des Motors bei mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen und einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, wenn der Motor in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet;
  • 4 einen entsprechenden spezifischen Netto-Kraftstoffverbrauch in Relation zu der Motorlast gemäß der Offenbarung graphisch darstellt, wenn der beispielhafte Motor bei mageren Luft/Kraftstoffverhaltnissen und einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, wenn der Motor in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet;
  • 5 mehrere Motorbetriebs- und Steuerparameter gemäß der Offenbarung graphisch darstellt, die über einer verstrichenen Zeitdauer aufgetragen sind und die mit der Strategie zur passiven SCR für eine Ausführungsform des Motors verbunden sind, der das Abgasnachbehandlungssystem zur passiven SCR aufweist, und die einen Wechsel zwischen dem Betrieb in einem HCCI-Verbrennungsmodus und in einem SI-Verbrennungsmodus zugeordnet sind; und
  • 6 Ergebnisse gemäß der Offenbarung graphisch darstellt, die einem Betrieb eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das eine Ausführungsfarm des Motors aufweist, der mit dem Abgasnachbehandlungssystem zur passiven SCR ausgestattet ist und in dem die Strategie zur passiven SCR implementiert ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzuste1len, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, ist 1 eine schematische Zeichnung eines Verbrennungsmotors 10, der mit einem Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR gekoppelt ist, mit einem begleitenden Steuermodul 5, die gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 ist ausgebildet, um in einem von mehreren Verbrennungsmodi zu arbeiten, die vorzugsweise einen Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus) und einen homogenen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) umfassen. Der Motor 10 kann gesteuert werden, um bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis und bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist, zu arbeiten. Die Offenbarung kann auf verschiedene Verbrennungsmotorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet werden.
  • Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der Hubkolben 14 aufweist, die in Zylindern 15 verschiebbar sind, die Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen definieren. Jeder Kolben 14 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 verbunden, durch welche die lineare Hubbewegung in eine Drehbewegung übersetzt wird. Ein Lufteinlasssystem liefert Einlassluft an einen Einlasskrümmer 29, der die Luft in Einlasskanäle der Verbrennungskammern 16 leitet und verteilt. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftströmungs-Kanalsystem und Einrichtungen, um die Luftströmung zu überwachen und zu steuern. Die Lufteinlasseinrichtungen umfassen vorzugsweise eine Luftmassenströmungssensor 32, um die Luftmassenströmung (MAF) 33 und die Einlasslufttemperatur (IAT) 35 zu überwachen. Ein Drosselventil 34 umfasst vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung, die verwendet wird, um die Luftströmung zu dem Motor 10 in Ansprechen auf ein Steuersignal 120 von dem Steuermodul 5 zu steuern. Ein Drucksensor 36 in dem Einlasskrümmer 29 ist ausgebildet, um den Krümmerabsolutdruck (MAP) 37 und den barometrischen Druck zu überwachen. Ein äußerer Strömungsdurchgang führt Abgase von einem Motorauslass zu dem Einlasskrümmer 29 zurück und weist ein Strömungssteuerventil auf, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 steuert die Massenströmung des Abgases zu dem Einlasskrümmer 29, indem das Öffnen des AGR-Ventils 38 mittels eines Steuersignals 44 gesteuert wird.
  • Die Luftströmung aus dem Einlasskrümmer 29 in die Verbrennungskammer 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventil(e) 20 gesteuert. Die Abgasströmung aus der Verbrennungskammer 16 wird durch ein oder mehrere Auslassventil(e) 18 zu einem Auslasskrümmer 39 gesteuert. Der Motor 10 ist mit Systemen ausgestattet, um das Öffnen und Schließen der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 zu steuern und einzustellen. Bei einer Ausführungsform kann das Öffnen und Schließen der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 gesteuert und eingestellt werden, indem eine Einlass- und eine Auslasseinrichtung 22 bzw. 24 für eine variable Nockenphaseneinstellung/variable Hubsteuerung (VCP/VLC-Einrichtung) gesteuert werden. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 sind ausgebildet, um eine Einlassnockenwelle 21 bzw. eine Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betreiben. Die Drehungen der Einlass- und der Auslassnockenwelle 21 und 23 sind mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verknüpft und mit dieser indiziert, wodurch das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 mit den Positionen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 verbunden ist.
  • Die Einlass-VCP/VLC-Einrichtung 22 umfasst vorzugsweise einen Mechanismus, der dazu dient, den Ventilhub (VLC) des Einlassventils bzw. der Einlassventile 20 in Ansprechen auf ein Steuersignal 125 umzuschalten und zu steuern sowie eine Phaseneinstellung (VCP) der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 in Ansprechen auf ein Steuersignal 126 variabel anzupassen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 24 umfasst vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, den Ventilhub (VLC) des Auslassventils bzw. der Auslassventile 18 in Ansprechen auf ein Steuersignal 123 variabel umzuschalten und zu steuern sowie die Phaseneinstellung (VCP) der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder 15 in Ansprechen auf ein Steuersignal 124 variabel anzupassen und zu steuern.
  • Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 weisen jeweils vorzugsweise einen steuerbaren zweistufigen VLC-Mechanismus auf, der dazu dient, das Ausmaß des Ventilhubs oder des Öffnens des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern. Die zwei diskreten Stufen umfassen vorzugsweise eine Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub (ungefähr 4–6 mm bei einer Ausführungsform), vorzugsweise für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und niedriger Last, sowie eine Ventilöffnungsposition mit hohem Hub (ungefähr 8–13 mm bei einer Ausführungsform), vorzugsweise für einen Betrieb bei hoher Drehzahl und hoher Last. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 weisen jeweils vorzugsweise einen Mechanismus zur variablen Nockenphaseneinstellung (VCP-Mechanismus) auf, um die Phaseneinstellung (d. h. die relative Zeiteinstellung) des Öffnens und Schließens des Einlassventils (der Einlassventile) 20 bzw. des Auslassventils (der Auslassventile) 18 zu steuern und anzupassen. Das Anpassen der Phaseneinstellung bezieht sich auf eine Verschiebung der Öffnungszeiten des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 relativ zu den Positionen der Kurbelwelle 12 und des Kolbens 14 in dem jeweiligen Zylinder 15. Die VCP-Mechanismen der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 weisen vorzugsweise jeweils einen Autoritätsbereich für die Phaseneinstellung von ungefähr 60°–90° der Kurbeldrehung auf, wodurch ermöglicht wird, dass das Steuermodul 5 das Öffnen und Schließen des Einlass- oder des Auslassventils bzw. der Einlass- oder der Auslassventile 20 und 18 relativ zu der Position des Kolbens 14 für jeden Zylinder 15 nach früh oder nach spät verstellt. Der Autoritätsbereich für die Phaseneinstellung ist durch die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 definiert und begrenzt. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 weisen Nockenwellen-Positionssensoren auf, um Drehpositionen der Einlass- und der Auslassnockenwelle 21 und 23 zu ermitteln. Die VCP/VLC-Einrichtungen 22 und 24 werden unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerkraft in Ansprechen auf die jeweiligen Steuersignale 123, 124, 125 und 126 betätigt.
  • Der Motor 10 verwendet ein Kraftstoffeinspritzungssystem zur Direkteinspritzung, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 umfasst, die ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Steuersignal (INJ_PW) 112 von dem Steuermodul 5 in eine der Verbrennungskammern 16 direkt einzuspritzen. Es ist einzusehen, dass das Steuersignal INJ_PW 112 eine Pulsweitendauer in einer verstrichenen Zeit und einen Start der Einspritzung relativ zu dem TDC umfasst. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Der Einspritzungszeitpunkt, wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, umfasst die Dauer und der Start der Einspritzung für Schemata mit einzelner und mit geteilter Einspritzung, wie sie in verschiedenen Verbrennungsmodi verwendet werden können.
  • Der Motor 10 weist ein Funkenzündungssystem auf, durch das Zündfunkenenergie an eine Zündkerze 26 geliefert werden kann, um Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern 16 in Ansprechen auf ein Steuersignal (IGN) 118 von dem Steuermodul 5 zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen.
  • Der Motor 10 ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs ausgestattet, die einen Kurbelsensor 42 mit einer Ausgabe RPM 43 umfassen, welche die Kurbelwellen--Drehposition angibt, d. h. den Kurbelwinkel und die Kurbeldrehzahl. Ein Temperatursensor 44 ist ausgebildet, um eine Kühlmitteltemperatur 45 zu überwachen. Ein Verbrennungssensor 30 in dem Zylinder ist ausgebildet, um die Verbrennung 31 zu überwachen. Der Verbrennungssensor 30 in dem Zylinder ist ausgebildet, um die Verbrennung zu überwachen, und er weist bei einer Ausführungsform einen Zylinderdrucksensor auf, der dazu dient, den Verbrennungsdruck 31 in dem Zylinder zu überwachen. Ein Abgassensor 40 ist ausgebildet, um einen Abgasparameter 41 zu überwachen, z. B. das Luft/Kraftstoffverhältnis (AFR). Der Verbrennungsdruck 31 und die RPM 43 werden durch das Steuermodul 5 überwacht, um die Verbrennungsphaseneinstellung zu ermitteln, d. h. den zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks relativ zu dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus. Es ist einzusehen, dass die Verbrennungsphaseneinstellung durch andere Verfahren ermittelt werden kann. Der Verbrennungsdruck 31 kann durch das Steuermodul 5 überwacht werden, um einen mittleren effektiven Druck (IMEP) für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus zu ermitteln. Der Motor 10 und das Steuermodul 5 sind vorzugsweise ausgebildet, um Zustande des IMEP für jeden der Zylinder 15 während jedes Zylinder-Zündungsereignisses zu überwachen und zu ermitteln.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR koppelt fluidisch an den Auslasskrümmer 39 des Motors 10 an und arbeitet, um Bestandteile des Motorabgases in reaktionsunfähige Gase umzuwandeln. Das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR umfasst einen katalytischen Dreiwegewandler (TWC) 110, der fluidisch stromaufwärts eines Katalysators 120 zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion (SCR) positioniert ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR wird als passiv angesehen, da alle Reduktionsmittel, die verwendet werden, um eine NOx-Reduktion in dem SCR 120 zu bewirken, aus dem Kraftstoff stammen, der während des Motorbetriebs in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, und es gibt keine äußere Infusion von Harnstoff, Kraftstoff oder anderen Substanzen in den Abgaszustrom stromaufwärts entweder des TWC 110 oder des SCR 120. Das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR ist mit einem oder mehreren Sensoren ausgestattet, die geeignet sind, um einen oder mehrere Abgasbestandteile zu überwachen und einen Zustand einer Massenströmungskonzentration oder anderer Parameter in dem Abgaszustrom stromaufwärts des TWC 110, zwischen dem TWC 110 und dem SCR 120, und stromabwärts des SCR 120 zu Zwecken der Motorsteuerung und -diagnose zu ermitteln. Das Steuermodul 5 überwacht Eingaben von den zuvor erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorparametern zu ermitteln.
  • Die Abgasbestandteile in dem Abgaszustrom aus dem Motor umfassen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Wasser (H2O) und Stickstoffoxide (NOx). Während des laufenden Betriebs wandelt der TWC einige der Abgasbestandteile in reaktionsunfähige Gase um. Während des Motorbetriebs bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältnis kann der TWC 110 HC und CO in Kohlendioxid (CO2), H2O und Ammoniak (NH3) umwandeln. Der NH3 kann in dem SCR 120 gespeichert werden. Während des nachfolgenden Motorbetriebs bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis kann der TWC 110 einen Teil des Abgaszustroms in CO2 und H2O umwandeln, und er kann das NOx unter Verwendung des O2, das in dem TWC 110 gespeichert ist, reduzieren. Der SCR 120 verwendet den gespeicherten NH3 als ein Reduktionsmittel, um NOx in dem Abgaszustrom in andere Moleküle zu reduzieren, wie beispielsweise zweiatomigen Stickstoff (N2) und H2O. Diese Gasreaktionen sind bekannt.
  • Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingabesignale von einem Betreiber zu empfangen (z. B. mittels eines Gaspedals und eines Bremspedals), um eine Drehmomentanforderung eines Betreibers zu ermitteln, anhand derer ein Drehmomentbefehl abgeleitet wird. Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Bilden der Zylinderladung zu steuern, um eine Leistung in Ansprechen auf den Motordrehmomentbefehl zu erzeugen, was das Steuern der Drosselposition, des Funkenzündungszeitpunkts, der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, der AGR-Ventilposition, um die Strömung zurückgeführter Abgase zu steuern, und des Zeitpunkts sowie der Phaseneinstellung der Einlass- und/oder Auslassventile umfasst. Die Zeiteinstellung und die Phaseneinstellung der Ventile können eine negative Ventilüberlappung (NVO) und einen Hub einer Auslassventil-Wiederöffnung (bei einer Abgas-Rückatmungsstrategie) sowie eine positive Ventilüberlappung (PVO) umfassen.
  • Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um ein Kraftstoffabschaltereignis (FCO-Ereignis) des Motors auszuführen. Ein FCO-Ereignis kann ausgeführt werden, wenn ein Betreiber seinen Fuß von einem Gaspedal entfernt, was zu einem Ausrollen des Fahrzeugs führt. In Ansprechen darauf kann sich der Motor weiterhin drehen, die Kraftstoffzufuhr des Motors ist jedoch abgeschaltet, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern. Wenn der Betreiber anschließend Druck auf das Gaspedal ausübt, wird die Kraftstoffzufuhr des Motors wiederhergestellt, und der Motor zündet und erzeugt ein Drehmoment.
  • Das Steuermodul 5 kann den Motor 10 während des laufenden Fahrzeugbetriebs unter Verwendung von Autostart- und Autostopp-Steuerschemata steuern, und es kann betrieben werden, um einen Teil der Verbrennungskammern 15 oder einen Teil der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 durch eine Steuerung der Kraftstoff- und Zündfunken- sowie Ventildeaktivierung selektiv zu deaktivieren. Das Steuermodul 5 kann das Luft/Kraftstoffverhältnis basierend auf einer Rückkopplung von dem Abgassensor 40 steuern. Das Steuermodul 5 kann den Motor 10 steuern, indem ein FCO-Ereignis angewiesen wird, z. B. während eines Verlangsamungsereignisses des Fahrzeugs, und indem dem Motor 10 für ein erneutes Zünden anschließend Kraftstoff zugeführt wird.
  • Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (AS1C) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltung(en) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Software-Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Die Algorithmen werden beispielsweise von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Motorsteuerschema einen Verbrennungsmodus und ein Luft/Kraftstoffverhältnis. Zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verbrennungsmodus eine Steuerung oder Einstellungen für den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, dem Zündfunkenzeitpunkt und die Motorventile (einschließlich des Hubs und der Phase). Der Betrieb des Motors 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus umfasst vorzugsweise geeignete Einstellungen für den Einspritzungszeitpunkt und den Zündfunkenzeitpunkt (beispielsweise für eine Zündfunkenunterstützung), die Einlass/Auslassventil-NVO und den niedrigen Hub des Einlass/Auslassventils. Das Drosselventil 34 befindet sich vorzugsweise in einer im Wesentlichen weit offenen Position (WOT) (vollständig ungedrosselt oder leicht gedrosselt, um einen Unterdruck in dem Einlasskrümmer 29 zu erzeugen, um eine AGR-Strömung zu bewirken), und es wird ein mageres oder stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis hergestellt. Bei einer Ausführungsform wird die AGR-Masse in dem Zylinder auf eine hohe Verdünnungsrate gesteuert, z. B. größer als 40% der Zylinderluftladung.
  • Der Betrieb des Motors 10 in dem homogenen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) umfasst vorzugsweise geeignete Einstellungen für den Einspritzungszeitpunkt und den Zündfunkenzeitpunkt, die Einlass/Auslassventil-PVO und den hohen Hub des Einlass/Auslassventils. Vorzugsweise regelt das Drosselventil 34 die Luftströmung in Ansprechen auf eine Drehmomentanforderung des Betreibers, und es wird ein mageres oder stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis hergestellt. Der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt befindet sich vorzugsweise in einem Einlass- oder Kompressionstakt eines Motorzyklus vor dem TDC. Der Zündfunkenzeitpunkt wird vorzugsweise zu einer vorbestimmten Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung entladen, wenn eine Kraftstoff/Luftladung in dem Zylinder im Wesentlichen homogen ist. Der Zündfunkenzeitpunkt in dem SI-Verbrennungsmodus wird vorzugsweise an jedem Motorbetriebspunkt über den gesamten Drehzahl/Last-Betriebsbereich auf einen Zündfunkenzeitpunkt für ein mittleres Bestdrehmoment (MBT) gesteuert. Eine Abbildung des MBT auf dem Zündfunkenzeitpunkt kann für den gesamten Drehzahl/Last-Betriebsbereich für eine Ausführungsform des Motors 10 unter Verwendung bekannter Motor-Abbildungstechniken entwickelt werden.
  • 2 ist ein Flussdiagramm zum Ausführen einer Motorsteuerstrategie zur passiven selektiven katalytischen Reduktion (einer passiven SCR-Strategie) 200, die den Betrieb des Motors 10 vorteilhafterweise in Ansprechen auf den Motordrehmomentbefehl steuert, während eine Emissionssteuerung bewirkt wird, die eine NOx-Reduktion in dem Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR umfasst. Tabelle 1 ist als ein Schlüssel vorgesehen, wobei die numerisch bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen im Nachfolgenden dargelegt sind. Tabelle 1 BLOCK BLOCKINHALTE FÜR Fig. 2
    202 Führe Strategie zur passiven SCR aus
    205 Überwache Drehmomentanforderung des Betreibers und ermittle Motordrehmomentbefehl
    210 Wähle bevorzugtes Motorsteuerschema aus
    215 Wird ein Wechsel des Verbrennungsmodus gefordert?
    220 Fuhre Wechsel des Verbrennungsmodus aus
    225 Ermittle bevorzugte Kraftstoffzufuhrrate
    230 Verwende bevorzugtes Motorsteuerschema, um den Motor bei der bevorzugten Kraftstoffzufuhrrate zu steuern
  • Das Steuermodul 5 führt einen algorithmischen Code regelmäßig und periodisch aus, der die Strategie 200 zur passiven SCR verkörpert, um den Verbrennungsmotor 10 während jedes Fahrzeugereignisses mit eingeschaltetem Schlüssel mit dem Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR zu betreiben. Das Ausführen der Strategie 200 zur passiven SCR (202) umfasst, dass ein Motordrehmomentbefehl ermittelt wird (205).
  • Der Motordrehmomentbefehl umfasst die Drehmomentanforderung des Betreibers und andere Motor- oder Antriebsstrangsystemanforderungen, z. B. zum Liefern einer mechanischen Leistung an Pumpen, Elektromotoren, Generatoren usw. Der Motordrehmomentbefehl kann umfassen, dass der Motor 10 nach einem FCO-Ereignis erneut gezündet wird.
  • Ein bevorzugtes Motorsteuerschema zum Steuern des Betriebs des Motors 10 wird in Ansprechen auf den Motordrehmomentbefehl ausgewählt oder auf andere Weise ermittelt (210). Das bevorzugte Motorsteuerschema umfasst einen ausgewählten Verbrennungsmodus, d. h. den HCCI- oder den SI-Verbrennungsmodus, und ein ausgewähltes Luft/Kraftstoffverhältnis. Das ausgewählte Luft/Kraftstoffverhältnis kann mager oder stöchiometrisch sein, und es wird vorzugsweise entsprechend dem Motordrehmomentbefehl für einen Motorarbeitspunkt ausgewählt. Bei einer Ausführungsform umfasst das Auswählen des bevorzugten Motorsteuerschemas, dass eine Tabelle von bevorzugten Motorsteuerschemata entwickelt und implementiert wird, die mehreren Motorbetriebspunkten über einen gesamten Drehzahl/Last-Betriebsbereich für den Motor 10 entsprechen. Somit gibt es bei einer Ausführungsform einen bevorzugten von dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus und ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis, die jedem Motorbetriebspunkt über einen gesamten Drehzahl/Last-Betriebsbereich für den Motor 10 zugeordnet sind.
  • Wenn eine Ausführungsform des Motors 10 unter Verwendung des bevorzugten Motorsteuerschemas arbeitet, erreicht sie einen minimalen Kraftstoffverbrauch und hält die Verbrennungsstabilität bei einem akzeptierbaren Niveau an dem Motorbetriebspunkt aufrecht, der dem Motordrehmomentbefehl entspricht. Das Aufrechterhalten der Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau umfasst vorzugsweise, dass eine akzeptierbare Größe des COV-IMEP oder eines anderen Parameters erreicht wird, welcher der Verbrennungsstabilität zugeordnet ist.
  • Das Steuermodul 5 steuert den Motor unter Verwendung des bevorzugten Motorsteuerschemas, das durch die Strategie 200 zur passiven SCR ausgewählt wird, um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Verbrennungsstabilität aufrechtzuerhalten. Die Strategie 200 zur passiven SCR ermittelt eine bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate, die eine minimale Motor-Kraftstoffzufuhrrate ist, die notwendig ist, um einen Motorbetriebspunkt zu erreichen, der dem Motordrehmomentbefehl bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis entspricht, wenn das bevorzugte Motorsteuerschema zum Steuern des Motors 10 verwendet wird. Der Zündfunkenzeitpunkt in dem SI-Verbrennungsmodus wird an jedem Motorbetriebspunkt vorzugsweise auf den MBT-Zündfunkenzeitpunkt gesteuert. Somit wird das bevorzugte Motorsteuerschema ohne Berücksichtigung der Emissionen aus dem Motor ausgewählt.
  • Die Strategie 200 zur passiven SCR kann für eine spezielle Motoranwendung umfassen, dass mehrere bevorzugte Motorsteuerschemata basierend auf Motorbetriebsparametern der Verbrennungsstabilität, des Kraftstoffverbrauchs und der Motordrehmomentabgabe vorbestimmt werden. Die Drehzahl- und Lastgrenzen, die einen bevorzugten von den Verbrennungsmodi definieren, können vorkalibriert und in dem Steuermodul 5 gespeichert werden. Eine Änderung in dem Motordrehmomentbefehl oder in dem Motorbetriebspunkt kann eine Änderung in dem bevorzugten Motorsteuerschema bewirken, d. h. sie kann eine Änderung in einem oder beiden von dem bevorzugten Verbrennungsmodus und dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis bewirken.
  • Wenn das bevorzugte Motorsteuerschema ausgewählt ist, wird ermittelt, ob ein Wechsel des Verbrennungsmodus erforderlich ist (215). Das Steuermodul 5 bewirkt Wechsel zu dem bevorzugten Motorsteuerschema, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, während die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau aufrechterhalten wird. Wenn ein Wechsel des Verbrennungsmodus erforderlich ist (1), führt das Steuermodul 5 einen Wechsel des Verbrennungsmodus aus, um den Motor 10 bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis in dem bevorzugten Verbrennungsmodus zu betreiben, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und/oder die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau aufrechtzuerhalten (220). Eine Änderung in einem der Motorparameter, z. B. in der Drehzahl und der Last, kann eine Änderung in der Motorbetriebszone bewirken. Das Steuermodul 5 kann anschließend in Ansprechen auf die Änderung in der Motorbetriebszone eine Änderung in dem bevorzugten Verbrennungsmodus anweisen.
  • Während eines Wechsels des Verbrennungsmodus wird der Motor 10 gesteuert, um bei einem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis zu arbeiten, und die Einlassluftströmung und die Kraftstoffeinspritzung werden gesteuert, um das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis zu erreichen, das dem ausgewählten Verbrennungsmodus zugeordnet ist. Dies umfasst, dass eine Zylinderluftladung basierend auf dem Motorbetrieb in dem ausgewählten Verbrennungsmodus geschätzt wird. Das Drosselventil 34 sowie die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 werden gesteuert, um eine Einlass-Luftströmungsrate basierend auf der geschätzten Zylinderluftladung zu erreichen, einschließlich während eines Wechsels zwischen dem SI- und dem HCCI-Verbrennungsmodus. Die Luftströmung wird gesteuert, indem das Drosselventil 34 sowie die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 eingestellt werden, um den Öffnungszeitpunkt und die Profile des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 zu steuern. Der Betrieb in den zwei Verbrennungsmodi erfordert unterschiedliche Einstellungen für die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 bezogen auf die zeitliche Ventilsteuerung und die Profile des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 und des Drosselventils 34 für die Drosselposition.
  • Während eines Wechsels von dem SI-Verbrennungsmodus in den HCCI-Verbrennungsmodus geht der Motor 10 in einen Betrieb bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis über, was umfasst, dass die Luftströmung gesteuert wird, um das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis zu erreichen. Das Steuermodul 5 befiehlt dem Drosselventil 34, bis zu einer vorbestimmten Position zu öffnen, und dem Einlass- und dem Auslass-VCP/VLC-System 22 und 24, den Einlass- und den Auslass-Nockenphasensteller zum Erreichen der NVO einzustellen, wodurch der Krümmerdruck zunimmt. Die Luftströmung nimmt aufgrund des zunehmenden Krümmerdrucks zu, bis der VLC-Anteil des Einlass- und des Auslass-VCP/VLC-Systems 22 und 24 die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 von der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub in die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub umschaltet.
  • Während eines Wechsels von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus wird der Motor 10 zu dem Betrieb bei dem stöchiometrischen Luft/Kraftstaffverhältnis übergeleitet. Das Steuermodul 5 steuert die Drossel 34 zu einer vorbestimmten Position und befiehlt dem Einlass- und dem Auslass-VCP/VLC-System 22 und 24, den Einlass- und den Auslass-Nockenphasensteller auf die PVO einzustellen, was zu einer Verringerung des Krümmerdrucks führen kann, während die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 von der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub in die Ventilöffnungsposition mit hohem Hub umgeschaltet werden und dadurch die Zylinderluftströmung erhöht wird. 5 stellt Details graphisch dar, die einem bevorzugten Prozess zum Wechseln von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus zugeordnet sind.
  • Es wird eine bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate ermittelt (225). Die bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate besteht aus einer Motor-Kraftstoffzufuhrrate, d. h. ist auf diese beschränkt, die auf den Motordrehmomentbefehl anspricht und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau hält, wenn das bevorzugte Motorsteuerschema zum Steuern des Motors 10 verwendet wird. Somit ist die bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate eine minimale Motor-Kraftstoffzufuhrrate, die notwendig ist, um einen Motorbetriebspunkt zu erreichen, der dem Motordrehmomentbefehl bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis entspricht, wenn der bevorzugte von dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem SI-Verbrennungsmodus zum Steuern des Motors 10 verwendet wird. Dies umfasst eine Motor-Kraftstoffzufuhr nach einem FCO-Ereignis, die auf einen Motordrehmomentbefehl anspricht, der eine Drehmomentanforderung des Betreibers umfassen kann.
  • Das bevorzugte Motorsteuerschema wird verwendet, um den Motor 10 bei der bevorzugten Motor-Kraftstoffzufuhrrate in dem ausgewählten von dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus und bei dem ausgewählten Luft/Kraftstoffverhältnis zu betreiben (230).
  • Der Motorbetrieb wird durch die Strategie 200 zur passiven SCR beeinflusst, was umfasst, dass bevorzugte Motorsteuerschemata ausgewählt werden, um den Motor 10 bei dem Betrieb in einem Mittelbereich von Motorlasten in dem HCCI-Verbrennungsmodus bei mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen zu betreiben, ohne Nachverbrennungskraftstoff oder ein Reduktionsmittel hinzuzufügen, um den Motor 10 während Wechseln von einem Betrieb mit magerer HCI in einen Betrieb mit stöchiometrischer HCCI zu betreiben, um den Motor 10 während Wechsel zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem SI-Verbrennungsmodus zu betreiben und um den Motor 10 während einer erneuten Zündung des Motors nach einer FCO zu betreiben.
  • 3 stellt das Luft/Kraftstoffverhältnis (310) in Relation zu der Motorlast (305) graphisch dar, die als NMEP (kPa) gemessen wird, wenn eine Ausführungsform des Motors 10 bei mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen (340) und einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis (330) betrieben wird, wenn der beispielhafte Motor 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet.
  • 4 stellt eine spezifischen Netto-Kraftstoffverbrauch (in gm/kW-h) (320) in Relation zu der Motorlast (305) dar, wenn der beispielhafte Motor 10 bei mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen (340) und einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis (330) betrieben wird, wenn der Motor 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet. Die in 3 und 4 gezeigten Ergebnisse veranschaulichen, dass es Kraftstoffverbrauchsvorteile gibt, die mit dem Betrieb des Motors 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus mit mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen bei Betriebsbedingungen mit mittlerer Last verbunden sind. Das Luft/Kraftstoffverhältnis für den mageren Betrieb ist signifikant höher als für den stöchiometrischen Betrieb bei niedriger Last und nimmt aufgrund eines abnehmenden Anteils eines Zylinder-Verdrängungsvolumens, das für die Ladungsverdünnung verfügbar ist, mit der Motorlast ab. Es kann ein Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteil mit dem mageren HCCI-Betrieb erreicht werden, wobei die ausgeprägteste Wirkung auf den Kraftstoffverbrauch und die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei niedrigen Motorlasten realisiert wird. Die Ergebnisse geben auch an, dass ein Verringern des Luft/Kraftstoffverhältnisses die Kraftstoffwirtschaftlichkeitsvorteile des mageren Betriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus verringert, wobei sowohl die mageren als auch die stöchiometrischen Betriebsbedingungen nahezu denselben Kraftstoffverbrauch bei dem Betrieb mit hoher Last erreichen. Daher ermöglicht die Verwendung des mageren HCCI-Verbrennungsmodus als Teil der Ausführung der Strategie 200 zur passiven SCR einen verringerten Kraftstoffverbrauch, während die NOx-Emissionen reguliert werden. Das Ammoniak, das für einen wirksamen Betrieb des SCR 120 erforderlich ist, kann in dem TWC 110 während Fahrzeug-Beschleunigungsereignissen und während Wechseln des Verbrennungsmodus zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus erzeugt werden.
  • Die Strategie 200 zur passiven SCR kann während eines Wechsels zwischen Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und Ventilöffnungspositionen mit hohem Hub Vorteile liefern. Die bevorzugte Betriebsstrategie während eines Wechsels von einer Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub zu einer Ventilöffnungsposition mit hohem Hub umfasst, dass nacheinander mit einem mageren oder stöchiometrischen HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird, zu einem mageren SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird und anschließend zu einem stöchiometrischen SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird.
  • Es kann unabhängig von dem Nocken-Phaseneinstellungswinkel einen wesentlichen Unterschied in der Luftmasse in dem Zylinder zwischen dem Betrieb mit einer Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub und dem Betrieb mit einer Ventilöffnungsposition mit hohem Hub geben. Die Motordrehmomentabgabe kann sich mit einem Wechsel zwischen den Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub signifikant ändern, wenn die angeforderte Kraftstoffmasse für ein stöchiometrisches Gemisch mit maximaler Effizienz verbrannt wird. Daher umfasst ein Wechsel zwischen den Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub vorzugsweise, der mit dem Wechsel von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus verbunden ist, dass nacheinander mit einem mageren oder einem stöchiometrischen HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird, in einen mageren SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird und anschließend in einen stöchiometrschen SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird. Diese Wechselstrategie minimiert oder beseitigt Drehmomentstörungen und verringert oder beseitigt Drehmoment-Managementstrategien, wie beispielsweise eine Zündungszeit-Punktsteuerung, die während der Wechsel Kraftstoff verbrauchen, ohne ein Drehmoment zu erzeugen. Dieser Wechsel ist unter Bezugnahme auf 5 dargestellt.
  • 5 stellt einen Teil der Strategie 200 zur passiven SCR graphisch dar, der einen bevorzugten Prozess zum Überleiten des Motors 10, der das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR aufweist, von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus zugeordnet ist. 5 umfasst eine Darstellung mehrerer Motorbetriebs- und Motorsteuerparameter, die über einer verstrichenen Zeitdauer aufgetragen sind (510). Die Motorbetriebsparameter umfassen den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt 520 einschließlich des SI-Zeitpunkts 521 und des HCCI-Zeitpunkts 522, den Funkenzündungszeitpunkt 525, einschließlich des SI-Funkenzündungszeitpunkts (d. h. des MBT-Zündfunkenzeitpunkts) 526 und des HCCI-Unterstützungs-Zündfunkenzeitpunkts 527, die Verbrennungsmodi 530, einschließlich des SI-Verbrennungsmodus 531. und des HCCI-Verbrennungsmodus 532, die Nockenphaseneinstellung (d. h. die VCP) 535, einschließlich der PVO 536 und der NVO 537, den Ventilhub (d. h. die VLC) 540, einschließlich des niedrigen Hubs 542 und des hohen Hubs 541, und das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis 545, einschließlich des mageren 546, des stöchiometrischen 547 und des fetten 548.
  • Es wird gezeigt, dass der Motor 10 anfänglich in dem HCCI-Verbrennungsmodus 532 arbeitet, wobei die zugeordneten Motorbetriebsparameter das magere Luft/Kraftstoffverhältnis 546, wie es gezeigt ist, oder alternativ ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis umfassen. An dem Zeitpunkt 505 wird ein Wechsel in den SI-Verbrennungsmodus 531 angewiesen. Der Motorbetrieb wird anfänglich eingestellt, um bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis in dem SI-Verbrennungsmodus zu arbeiten, was umfasst, dass der SI-Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt 521 unmittelbar eingestellt wird, dass der SI-Funkenzündungszeitpunkt 526 unmittelbar eingestellt wird und dass der Ventilhub 540 unmittelbar auf den hohen Hub 541 angepasst wird. Die Kraftstoffzufuhr wird anfänglich bei dem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis 546 gehalten. An dem Zeitpunkt 506 beginnt die Nockenphaseneinstellung 535, in Richtung einer bevorzugten Nockenphaseneinstellung zu wechseln, die mit einer PVO 536 verbunden ist. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird in Richtung eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses 547 angepasst, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Wechsel zu der Nockenphaseneinstellung 535. Bei einem beliebigen Ereignis wird der Wechsel in dem Luft/Kraftstoffverhältnis ausgeführt, um die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten.
  • Der Zeitpunkt 506 tritt vorzugsweise nach einer kurzen Verzögerung bezogen auf den Befehl zum Wechseln in den SI-Verbrennungsmodus 531 an dem Zeitpunkt 505 auf. Diese Verzögerung ist ausreichend, um den Wechsel des Luft/Kraftstoffverhältnisses von mager nach stöchiometrisch mit dem langsameren Dynamikansprechen des Wechsels der Nockenphaseneinstellung 535 von der NVO 537 zu der PVO 536 abzustimmen. An dem Zeitpunkt 507 ist die Steuerung der Nockenphaseneinstellung abgeschlossen, wobei die gewünschte PVO 536 erreicht ist und die abgestimmte Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses das gewünschte stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis erreicht hat.
  • Ein Betrieb des Motors 10, der eine FCO umfasst, kann überschüssigen Sauerstoff in dem Abgaszustrom bewirken, der in dem TWC 110 gespeichert werden kann. Während eines anschließenden erneuten Zündens des Motors kann der Motorbetrieb eine NOx-Erzeugung umfassen, die durch den TWC 110 hindurchtritt, wenn der TWC 100 sauerstoffgesättigt ist. Bei einem solchen Betrieb wird die Strategie 200 zur passiven SCR verwendet, um den Motor 10 in den Betrieb mit dem bevorzugten Motorsteuerschema zu steuern, das ausgewählt ist, um einen minimalen Kraftstoffverbrauch an dem Motorbetriebspunkt zu erreichen, der dem Motordrehmomentbefehl entspricht. Ein NOx-Durchbruch aus dem TWC 110 kann in dem SCR 120 verringert werden. Daher hebt die Strategie 200 zur passiven SCR, die in Verbindung mit dem Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR verwendet wird, eine Notwendigkeit auf, den Motor 10 unmittelbar nach dem erneuten Zündungsereignis des Motors bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältnis zu betreiben, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert wird und dementsprechend die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zunimmt.
  • 6 stellt graphisch Ergebnisse dar, die dem Betrieb eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das eine Ausführungsform des Motors 10 aufweist, der mit dem Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR ausgestattet ist und die Strategie 200 zur passiven SCR implementiert. Die Ergebnisse sind graphisch mit y-Achsen der kumulativen NOx-Emissionen (in g/km) 620 und der Fahrzeuggeschwindigkeit (km/h) 660 in Relation zu einer x-Achse der verstrichenen Zeit 610 aufgetragen. Die dargestellten Ergebnisse umfassen kumulative NOx-Emissionen nach dem TWC 110 (630), NOx-Emissionen nach dem SCR 120 (640) und die Fahrzeuggeschwindigkeit (650) während eines NEDC-Fahrzyklus. Jeder Wechsel von einem stationären mageren oder stächiometrischen HCCI-Betrieb in einen stächiometrischen SI-Betrieb umfasst eine unmittelbare Dauer des Betriebs in einem mageren SI-Verbrennungsmodus. Dieser magere SI-Betrieb ist kraftstoffeffizienter als andere Motorsteuerstrategien, wie beispielsweise ein stöchiometrischer SI-Betrieb mit einer nach spät oder übermäßig nach früh verstellten Verbrennung. Die NOx-Emissionen können anhand einer solchen Verbrennungswechselstrategie signifikant verringert werden, indem das Abgasnachbehandlungssystem 100 zur passiven SCR und die Strategie 200 zur passiven SCR verwendet werden, und dadurch können die NOx-Emissionen insgesamt signifikant verringert werden.
  • Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Überleiten eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der mit einem System zur passiven SCR fluidisch gekoppelt ist, das einen katalytischen Dreiwegewandler stromaufwärts eines Katalysators zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion umfasst, von einem HCCI-Verbrennungsmodus in einen SI-Verbrennungsmodus, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis ermittelt wird, um für einen vorbestimmten Motorbetriebspunkt während des SI-Verbrennungsmodus einen minimalen Kraftstoffverbrauch zu erreichen und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten; ein Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, ein Motor-Zündfunkenzeitpunkt und ein Motorventilhub im Wesentlichen unmittelbar von entsprechenden Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus zu entsprechenden Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus gesteuert werden; und ein Wechsel zu dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Wechsel einer Motorventilphase von einer entsprechenden Einstellung für den HCCI-Verbrennungsmodus zu einer entsprechenden Phaseneinstellung für den SI-Verbrennungsmodus abgestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate ermittelt wird, die einer minimalen Motor-Kraftstoffzufuhrrate entspricht, die zum Erreichen des vorbestimmten Motorbetriebspunkts bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis notwendig ist, wenn mit der SI-Verbrennung gearbeitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die entsprechende Einstellung des Motor-Zündfunkenzeitpunkts für den SI-Verbrennungsmodus einen Zündfunkenzeitpunkt für ein mittleres Bestdrehmoment umfasst.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der mit einem System zur passiven SCR fluidisch gekoppelt ist, das einen katalytischen Dreiwegewandler stromaufwärts eines Katalysators zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Motordrehmomentbefehl ermittelt wird; ein bevorzugtes Motorsteuerschema ausgewählt wird, das umfasst: einen HCCI-Verbrennungsmodus oder einen SI-Verbrennungsmodus und ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis, um für einen Motorbetriebspunkt, der dem Motordrehmomentbefehl entspricht, einen minimalen Kraftstoffverbrauch zu erreichen und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten; eine bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate ermittelt wird, die eine minimale Motor-Kraftstoffzufuhrrate zum Erreichen des Motorbetriebspunkts, der dem Motordrehmomentbefehl entspricht, bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis umfasst, wenn das bevorzugte Motorsteuerschema verwendet wird; und das bevorzugte Motorsteuerschema verwendet wird, um den Motor bei der bevorzugten Motor-Kraftstoffzufuhrrate zu steuern.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass ein Wechseln zu dem bevorzugten Motorsteuerschema den HCCI- oder den SI-Verbrennungsmodus und das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Wechseln zu dem bevorzugten Motorsteuerschema umfasst, dass: von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird, umfassend, dass ein Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, ein Motor-Zündfunkenzeitpunkt und ein Motorventilhub im Wesentlichen unmittelbar zu entsprechenden Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus gesteuert werden; und ein Wechsel zu dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Wechsel einer Motorventilphase zu einer entsprechenden Phaseneinstellung für den SI-Verbrennungsmodus abgestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die entsprechende Einstellung des Motor-Zündfunkenzeitpunkts für den SI-Verbrennungsmodus einen Zündfunkenzeitpunkt für ein mittleres Bestdrehmoment umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Motordrehmomentbefehl einem erneuten Zündungsereignis des Motors nach einem Motorabschaltereignis entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die bevorzugte Motor-Kraftstoffzufuhrrate eine minimale Motor-Kraftstoffzufuhrrate umfasst, die zum Erreichen des Motorbetriebspunkts, der dem Motordrehmomentbefehl entspricht, notwendig ist, welcher dem erneuten Zündungsereignis des Motors nach dem Kraftstoffabschaltereignis bei dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis entspricht.
  10. Verbrennungsmotorsystem mit Direkteinspritzung, das umfasst: einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der ein Kraftstoffeinspritzungssystem, ein Funkenzündungssystem, ein Ventilhub-Steuersystem und ein Ventilphasen-Steuersystem aufweist; einen katalytischen Dreiwegewandler, der mit einem Abgasstrom von dem Verbrennungsmotor stromaufwärts eines Katalysators zur ammoniakselektiven katalytischen Reduktion gekoppelt ist; und einen Controller, der ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor von einem HCCI-Verbrennungsmodus in einen SI-Verbrennungsmodus überzuleiten, umfassend, dass: ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis ermittelt wird, um für einen vorbestimmten Motorbetriebspunkt während des SI-Verbrennungsmodus einen minimalen Kraftstoffverbrauch zu erreichen und die Verbrennungsstabilität auf einem akzeptierbaren Niveau zu halten; ein Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, ein Motor-Zündfunkenzeitpunkt und ein Motorventilhub im Wesentlichen unmittelbar von entsprechenden Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus zu entsprechenden Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus gesteuert werden; und ein Wechsel zu dem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Wechsel einer Motorventilphase von einer entsprechenden Einstellung für den HCCI-Verbrennungsmodus zu einer entsprechenden Phaseneinstellung für den SI-Verbrennungsmodus abgestimmt wird.
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