DE102011101926A1 - Steuerstrategie für Wechsel zwischen Verbrennungsmodi mit homogener Kompressionszündung und mit Funkenzündung - Google Patents

Steuerstrategie für Wechsel zwischen Verbrennungsmodi mit homogener Kompressionszündung und mit Funkenzündung Download PDF

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung weist eine Einlassnockenwelle mit einem Einlassnocken mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken mit hohem Hub, eine variable Hubsteuerung zum selektiven Betreiben eines Einlassventils mit einem Einlassventilprofil mit niedrigem Hub mittels des Einlassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Einlassventilprofil mit hohem Hub mittels des Einlassnockens mit hohem Hub, eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Einlassnockenwelle zum gleichzeitigen Steuern der Phase des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub betreibbar ist, eine Zündfunkensteuerung, eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung, eine Abgasrückführungssteuerung und eine Einlassdrosselsteuerung auf. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors umfasst, dass der Motor a) in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub umfasst, oder b) in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit hohem Hub umfasst, und in einem vorbestimmten Bereich von Motorlasten und Nockenwellen-Phaseneinstellungen betrieben wird, wobei das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub und das Einlassventilprofil mit hohem Hub eine jeweilige Einlassluftströmung in dem entsprechenden HCCI-Verbrennungsmodus und SI-Verbrennungsmodus, die für eine stabile Verbrennung förderlich sind, ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken bewirken. Das Verfahren umfasst ferner, dass zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus ausschließlich durch Einstellungen der variablen Hubsteuerung, der Zündfunkensteuerung und der Kraftstoffeinspritzungssteuerung gewechselt wird.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/347,507, die am 24. Mai 2010 eingereicht wurde und die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft einen Motor, der in zwei diskreten Verbrennungsmodi betreibbar ist.
  • 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 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 Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren 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.
  • Während des Motorbetriebs wird die Motorluftströmung gesteuert, indem die Position des Drosselventils selektiv eingestellt wird und das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen selektiv gesteuert wird. 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 Ventilhubprofile liefern. im Gegensatz zu der Drosselpositionsänderung, die kontinuierlich ist, ist die Änderung der Ventilposition des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine diskrete Änderung.
  • Wenn ein Motor in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor bei einem Betrieb mit magerem oder stöchiometrischem 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 eines Ventilhubprofils nahezu verzögerungsfrei auf, während Einstellungen für Nockenphasensteller und Drucke 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung weist eine Einlassnockenwelle mit einem Einlassnocken mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken mit hohem Hub, eine variable Hubsteuerung zum selektiven Betreiben eines Einlassventils mit einem Einlassventilprofil mit niedrigem Hub mittels des Einlassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Einlassventilprofil mit hohem Hub mittels des Einlassnockens mit hohem Hub, eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Einlassnockenwelle zum gleichzeitigen Steuern der Phase des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub betreibbar ist, eine Zündfunkensteuerung, eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung, eine Abgasrückführungssteuerung und eine Einlassdrosselsteuerung auf. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors umfasst, dass der Motor a) in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub umfasst, oder b) in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit hohem Hub umfasst, und in einem vorbestimmten Bereich von Motorlasten und Nockenwellen-Phaseneinstellungen betrieben wird, wobei das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub und das Einlassventilprofil mit hohem Hub eine jeweilige Einlassluftströmung in dem entsprechenden HCCI-Verbrennungsmodus und SI-Verbrennungsmodus, die für eine stabile Verbrennung förderlich sind, ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken bewirken. Das Verfahren umfasst ferner, dass zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus ausschließlich durch Einstellungen der variablen Hubsteuerung, der Zündfunkensteuerung und der Kraftstoffeinspritzungssteuerung gewechselt wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Verbrennungsmotors und eine schematische Zeichnung eines begleitenden Steuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Motorlast und einer Einlassnockenposition, welche eine Ziel-Umschaltlast für das Umschalten zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus angibt, gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 3 eine graphische Darstellung eines Ventilhubs bezogen auf Kurbelwinkelgrade für beispielhafte Nockenprofile mit niedrigem Hub und mit hohem Hub gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 4 eine graphische Darstellung von Motorparametern während des laufenden Motorbetriebs, der ein Wechseln zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
  • 5 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, der von dem SI-Verbrennungsmodus in den HCCI-Verbrennungsmodus wechselt, wobei die Motorlast und die Verbrennungsphaseneinstellung über einer spezifizierten Anzahl von Zyklen dargestellt sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, ist 1 eine Schnittansicht eines Verbrennungsmotors 10 und eine schematische Zeichnung eines begleitenden Steuermoduls 5, die gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 ist in mehreren Verbrennungsmodi selektiv betriebsfähig, die einen HCCI-Verbrennungsmodus und einen homogenen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) umfassen. Der Motor 10 ist bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis und bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist, selektiv betriebsfähig. 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 und die Einlasslufttemperatur 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 155 von dem Steuermodul 5 zu steuern. Ein Drucksensor 36 in dem Einlasskrümmer 29 ist ausgebildet, um den Krümmerabsolutdruck und den barometrischen Druck zu überwachen. Ein äußerer Strömungsdurchgang führt Abgase von einem Motorauslasskrümmer 39 zu dem Einlasskrümmer 29 zurück und weist ein Strömungssteuerventil auf, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, die Massenströmung des Abgases zu dem Einlasskrümmer 29 zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils 38 durch ein Steuersignal 170 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 dem Auslasskrümmer 39 gesteuert. Der Motor 10 ist mit Systemen ausgestattet, um das Öffnen und Schliefen 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, für jeden Zylinder 15 in Ansprechen auf Steuersignale 160 bzw. 162 von dem Steuermodul 5 ein Ventilhubprofil (VLC) des Einlassventils bzw. der Einlassventile 20 umzuschalten und zu steuern sowie eine Phaseneinstellung (VCP) der Einlassnockenwelle 21 variabel anzupassen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 24 umfasst vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, für jeden Zylinder 15 in Ansprechen auf Steuersignale 164 bzw. 166 von dem Steuermodul 5 den Ventilhub (VLC) des Auslassventils bzw. der Auslassventile 18 variabel umzuschalten und zu steuern sowie die Phaseneinstellung (VCP) der Auslassnockenwelle 23 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 entstehen durch einen Nockenwechsel und umfassen vorzugsweise ein Ventilprofil mit niedrigem Hub (ungefähr 4–6 mm bei einer Ausführungsform), vorzugsweise für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und niedriger Last, sowie ein Ventilprofil 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 Nockenwellen-Phaseneinstellung (d. h. die relative Zeiteinstellung) und dadurch den Zeitpunkt oder die Phaseneinstellung des Öffnens und Schließens des Einlassventils (der Einlassventile) 20 bzw. des Auslassventils (der Auslassventile) 18 entsprechend dem effektiven Ventilprofil mit niedrigem Hub oder hohem Hub 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 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 betätigt, die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird.
  • Der Motor 10 weist ein Kraftstoffeinspritzungssystem auf, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Steuersignal 180 von dem Steuermodul 5 in eine der Verbrennungskammern 16 direkt einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
  • 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 175 von dem Steuermodul 5 zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen.
  • Der Motor 10 ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen das Motorbetriebs ausgestattet, welche einen Kurbelsensor 42, der eine Ausgabe RPM aufweist und dazu dient, die Kurbelwellen-Drehposition zu überwachen, d. h. den Kurbelwinkel und die Kurbeldrehzahl, bei einer Ausführungsform einen Verbrennungssensor 30, der ausgebildet ist, um die Verbrennung zu überwachen, und einen Abgassensor 40 umfassen, der ausgebildet ist, um Abgase zu überwachen, typischerweise ein Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis. Der Verbrennungssensor 30 weist eine Sensoreinrichtung auf, die dazu dient, einen Verbrennungsparameter zu überwachen, und er ist als ein Zylinderdrucksensor dargestellt, der dazu dient, den Verbrennungsdruck in dem Zylinder zu überwachen. Die Ausgabe des Verbrennungssensors 30 und des Kurbelsensors 42 wird durch das Steuermodul 5 überwacht, das die Verbrennungsphaseneinstellung ermittelt, d. h. den zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks relativ zu dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus. Die Verbrennungsphaseneinstellung kann jedoch auch durch ähnliche Verfahren ermittelt werden, wie Fachleuten bekannt sein kann. Der Verbrennungssensor 30 kann auch 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 mechanisiert, um den IMEP für jeden der Zylinder 15 des Motors während jedes Zylinder-Zündungsereignisses zu überwachen und zu ermitteln. Alternativ kennen andere Detektionssysteme verwendet werden, um innerhalb des Umfangs der Offenbarung andere Verbrennungsparameter zu überwachen, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion, Sensoren für Abgasanteile und nicht eingreifende Zylinderdrucksensoren.
  • Steuermodul, Modul, Controller, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) 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-Schaltungen) 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.
  • Im Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingaben von den zuvor er wähnten Sensoren. 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. Das Steuermodul 5 überwacht die Sensoren, welche die Motordrehzahl und die Einlasslufttemperatur sowie die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben.
  • Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Bilden der Zylinderladung zu steuern, 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 der Zeiteinstellung sowie des Profils der Einlass- und/oder Auslassventile umfasst. Eine unabhängige zeitliche Steuerung der Einlass- und der Auslassventile kann variierende Grade einer negativen Ventilüberlappung (NVO) und einer positiven Ventilüberlappung (PVO) sowie variierende Grade eines frühen und späten Öffnens und Schließens liefern. Eine unabhängige Steuerung der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile kann für ein selektives Einstellen des Einlass- und des Auslass-Ventilhubs (z. B. mit niedrigem Hub oder mit hohem Hub) sorgen. Das Steuermodul 5 kann betrieben werden, um den Motor 10 während des laufenden Fahrzeugbetriebs ein- und auszuschalten, und es kann betrieben werden, um einen Teil der Verbrennungskammern 15 oder einen Teil der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 durch eine Steuerung einer Kraftstoff- und Zündfunken- sowie Ventildeaktivierung selektiv zu deaktivieren. Das Steuermodul 5 kann das Luft/Kraftstoffverhältnis basierend auf einer Rückkopplung von dem Abgassensor 40 steuern.
  • Während des Motorbetriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus ist das Drosselventil 34 vorzugsweise im Wesentlichen weit offen, wobei der Motor 10 bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird. Die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 werden mit den Ventilprofilen mit niedrigem Hub betrieben, und die Nockenwellenphase wird gesteuert, um bei einer NVO-Phaseneinstellung zu arbeiten. Die Verbrennungsphaseneinstellung kann ferner durch die zeitliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und die zeitliche Steuerung des Zündfunkens gesteuert werden. Die im Wesentlichen weit offene Drossel kann einen völlig ungedrosselten Betrieb oder einen leicht gedrosselten Betrieb umfassen, um einen Unterdruck in dem Einlasskrümmer 29 zu erzeugen, um eine AGR-Strömung zu bewirken. Die AGR-Strömung steuert die Sauerstoffmenge, die in dem Luftstrom verfügbar ist. Bei einer Ausführungsform wird die AGR-Masse in dem Zylinder auf eine hohe Verdünnungsrate gesteuert, z. B. auf mehr als 40% der Zylinderluftladung. Ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzungsereignisse können während eines Motorzyklus ausgeführt werden, was zumindest eine Einspritzung während einer Kompressionsphase umfasst.
  • Während des Motorbetriebs in dem SI-Verbrennungsmodus wird das Drosselventil 34 gesteuert, um Krümmerluftdruck zu regeln. Das AGR-Ventil 38 wird gesteuert, um die Sauerstoffmenge in dem Luftstrom zu regeln. Der Motor 10 wird auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert, und die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 werden mit den Ventilprofilen hohem Hub betrieben, und die Nockenwellenphase wird gesteuert, um bei einer PVO-Phaseneinstellung zu arbeiten. Ein spätes Schliefen des Einlassventils (LIVC) kann verwendet werden, wobei das LIVC mit einem hohen Einlasskrümmerdruck verwendet wird. LIVC ist als der Ausdruck, wie er hierin verwendet wird, derart zu verstehen, dass es einer Zeiteinstellung oder Phaseneinstellung eines Einlassventils entspricht, die bezogen auf eine nominelle Zeiteinstellung oder Phaseneinstellung des Einlassventils nach spät verstellt ist, beispielweise um 20 Kurbelwinkelgrad nach spät bezogen auf die nominelle. Eine nominelle Zeiteinstellung oder Phaseneinstellung eines Einlassventils ist als der Ausdruck, wie er hierin verwendet wird, derart zu verstehen, dass sie einer herkömmlichen Einlassventilöffnung in dem SI-Verbrennungsmodus vor dem TDC entspricht, beispielsweise bei 20 Kurbelwinkelgrad vor dem TDC. Die Verbrennungsphaseneinstellung kann durch den Zündfunkenzeitpunkt gesteuert werden. Die Einlassluftströmung wird hauptsächlich durch die Einlassnocken-Phaseneinstellung gesteuert. Ein Kraftstoffeinspritzungsereignis wird vorzugsweise während einer Kompressionsphase eines Motorzyklus ausgeführt, vorzugsweise im Wesentlichen vor dem TDC. Die Funkenzündung wird vorzugsweise zu einer vorbestimmten Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung entladen, wenn die Luftladung in dem Zylinder im Wesentlichen homogen ist.
  • Das Steuermodul 5 leitet den Motorbetrieb in den bevorzugten Verbrennungsmodus über, der dem Motor 10 zugeordnet ist, um Kraftstoffeffizienzen und die Motorstabilität zu erhöhen und/oder um Emissionen zu verringern. Eine Änderung in einem der Motorparameter, z. B. in der Drehzahl und der Last, kann eine Änderung in einer Motorbetriebszone bewirken. Das Steuermodul 5 weist eine Änderung in dem bevorzugten Verbrennungsmodus an, die einer Änderung in der Motorbetriebszone zugeordnet ist.
  • Während Verbrennungsmodusübergängen wird der Motor 10 gesteuert, um bei einem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis zu arbeiten, und die Einlassluftströmung wird gesteuert, um das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis zu erreichen. Dies umfasst, dass eine Zylinderluftladung basierend auf dem Motorbetrieb in dem ausgewählten Verbrennungsmodus geschätzt wird. Ein bevorzugtes Luft/Kraftstoffverhältnis kann ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis sein. 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 Übergangs 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 Zeitpunkt (die Phase) und die Profile (den Hub) 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.
  • Das Steuermodul 5 verwendet mehrere Soll-Einstellungen für Motorparameter als Eingaben zum Steuern von Aktuatoren, die Änderungen der Motorparameter bewirken. Beispielhafte Soll-Motorparameter umfassen: einen Soll-Einlasssauerstoff (Soll-O2), ein Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis (Soll-AFR), eine Soll-Kraftstoffmasse, einen Soll-Einlasskrümmerluftdruck (Soll-MAP), eine Soll-Verbrennungsphaseneinstellung (Soll-CA50) und eine Soll-Einlassluftströmung (Soll-MAF). Die Steuerung des Soll-O2 tritt auf, indem die Position des AGR-Ventils 38 gesteuert wird, was die Einlassluftströmung variabel verdünnt. Wenn das AGR-Ventil 38 weiter öffnet, kann mehr AGR-Gas in die Einlassluftströmung eintreten, was die Menge an O2 beschränkt, die für die Verbrennung verfügbar ist.
  • Das Soll-AFR wird gesteuert, indem eine Luftströmung (MAF) modifiziert wird, die durch ein Anpassen der Ventilzeiteinstellung gesteuert wird, die für die HCCI-Verbrennung mit NVO und für die SI-Verbrennung mit LIVC betrieben werden kann. Indem das Einlassventil 20 während des Einlasstakts für längere Zeitdauern in der offenen Position gehalten wird, ist mehr Luft für die Verbrennungsladung verfügbar. Ein Kraftstoffmassenparameter kann anschließend ermittelt werden, um das Soll-AFR zu erreichen. Der Soll-MAP wird gesteuert, indem das Drosselventil 34 betrieben wird. Das Öffnen des Drosselventils 34 erhöht den Betrag des Luftdrucks in dem Einlasskrümmer, wobei eine weit offene Drossel (WOT) die am meisten offene Position ist. Das Verringern der Öffnung des Drosselventils 34 verringert den Einlasskrümmerdruck. Der Soll-CA50 wird in dem HCCI-Verbrennungsmodus durch den Einspritzungszeitpunkt und den Zündfunkenzeitpunkt gesteuert, und er wird in dem SI-Verbrennungsmodus durch den Zündfunkenzeitpunkt gesteuert. Die Steuerung des CA50 ermöglicht, dass basierend auf gegenwärtigen Betriebsbedingungen eine passende Motorlast erreicht wird.
  • Es ist bekannt, dass bestimmte Motoraktuatoren ein schnelles dynamisches Ansprechen aufweisen (bekannt als schnelle Motoraktuatoren) und an neue angewiesene Ausgaben innerhalb eines einzelnen Motorzyklus oder Zylinderereignisses angepasst werden können. Die schnellen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28, das Funkenzündungssystem, das Zündungsenergie für die Zündkerze 26 liefert, und den VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24. Andere Motoraktuatoren sind relativ gesehen langsamer bei dem Bewirken einer Änderung in dem Motorbetrieb in Ansprechen auf ein Steuersignal (bekannt als langsame Motoraktuatoren), und sie benötigen aufgrund von Komponententrägheiten, mechanischen Ansprechzeiten und Luftströmungsverzögerungen mehrere Motorzyklen oder Zylinderereignisse, um an neue angewiesene Ausgaben angepasst zu werden. Die langsamen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise die AGR-Ventilposition, die Drosselposition und die Ventilphaseneinstellung, wie sie durch den VCP-Anteil der VCP/VLC-Einrichtungen 22, 24 gesteuert wird.
  • 2 ist eine graphische Darstellung einer beispielhaften Beziehung zwischen der Motorlast 90 (die nach rechts zunimmt) und der Einlassnockenposition 95 (die nach oben ansteigt), welche ein Ziel-Umschaltungsfenster 100 für das Umschalten zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus angibt. Eine Linie 105 für die Einlassnockenposition gibt an, dass die Einlassnockenposition 95 mit zunehmender Motorlast 90 ansteigt. Das Ziel-Umschaltungsfenster 100 ist in eine Domäne 110 für den HCCI-Verbrennungsmodus und in eine Domäne 115 für den SI-Verbrennungsmodus geteilt. Die primären Motorbetriebsparameter, die sowohl in dem HCCI-Verbrennungsmodus als auch in dem SI-Verbrennungsmodus gesteuert werden, sind AFR, CA50, MAP und O2. Das AFR entspricht der MAF, die durch die Ventil-Zeiteinstellung für beide Verbrennungsmodi gesteuert wird. Das Ziel-Umschaltungsfenster 100 ist ein vorbestimmter Bereich von Motorlasten, wobei die langsamen Motoraktuatoren sowohl in dem HCCI- als auch in dem SI-Verbrennungsmodus ähnliche Einstellungen aufweisen. Man wird erkennen, dass das Ziel-Umschaltungsfenster 100 durch das Steuermodul 5 ermittelt werden kann, wenn alle oder ein Teil der langsamen Motoraktuatoren ähnliche Einstellungen sowohl in dem HCCI- als auch in dem SI-Verbrennungsmodus aufweisen.
  • Wenn der Motor 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus betrieben wird, kann eine NVO angewiesen werden. Wenn die Motorlast zunimmt, verringert sich die NVO durch eine Verstellung des Einlassventilzeitpunkts nach früh und eine vorzugsweise symmetrische Verstellung des Auslassventilzeitpunkts nach spät. In dem SI-Verbrennungsmodus verstellt die LIVC-Strategie den Einlassventilzeitpunkt mit zunehmender Last nach früh. Da sowohl die NVO- als auch die LIVC-Strategie ähnliche Einstellungen bezogen auf die langsamen Motoraktuatoren verwenden, existiert ein Fenster mit ähnlichen Aktuator-Steuereinstellungen (das durch das Ziel-Umschaltungsfenster 100 identifiziert wird) für die zwei Verbrennungsmodi. Mit anderen Worten liefern die Ventilprofile mit niedrigem Hub und die Ventilprofile mit hohem Hub in einem Bereich von Motorlasten Einlassluftströmungen in dem entsprechenden HCCI- bzw. SI-Verbrennungsmodus, die für eine stabile Verbrennung förderlich sind, die ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken aufrechterhalten werden kann. Die stabile Verbrennung kann beispielsweise durch einen akzeptierbaren Variationskoeffizienten (COV) des IMEP ermittelt werden, beispielsweise einen COV des IMEP von 5% oder weniger. Ein Fachmann kann die Nockenwellen-Phasenbeziehungen oder die Ausrichtung der Ventilprofile mit hohem Hub und mit niedrigem Hub zum Liefern einer akzeptierbaren Verbrennungstabilität und eine Entsprechung eines Motorlastbereichs ermitteln, der für Wechsel des HCCI- und des SI-Verbrennungsmodus bevorzugt ist. Ein Nockenwechsel (d. h. zwischen Profilen mit hohem Hub und mit niedrigem Hub) kann durch den VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 mit der statischen Ausrichtung der Nocken mit niedrigem Hub und mit hohem Hub ausgeführt werden. Da der Betrieb bezogen auf das Ansprechen der langsamen Motoraktuatoren ähnlich ist, kann ein Wechsel zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus stattfinden, ohne die langsamen Motoraktuatoren anpassen zu müssen, oder mit einer minimalen Anpassung derselben. Die Umschaltung zwischen den Verbrennungsmodi kann daher in einem einzelnen Motorzyklus oder Zylinderereignis einfach durch die schnellen Motoraktuatoren abgeschlossen werden, welche die variable Hubsteuerung, die Kraftstoffsteuerung und die Zündfunkensteuerung umfassen.
  • Auf ähnliche Weise kann das Ziel-Umschaltungsfenster 100 identifiziert werden, wenn der Motor unter Verwendung einer LIVC-Strategie mit SI-Verbrennung arbeitet. Sobald das Ziel-Umschaltungsfenster 100 erreicht wurde, kann ein Nockenwechsel durch den VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 mit einer geeigneten Ausrichtung der Nocken mit niedrigem Hub und mit hohem Hub ausgeführt werden. Da der Betrieb bezogen auf das Ansprechen eines langsamen Aktuators ähnlich ist, kann der Wechsel zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus stattfinden, ohne die langsamen Motoraktuatoren anpassen zu müssen, oder mit einer minimalen Anpassung derselben. Die Steuerung des Umschaltens der Verbrennungsmodi wird daher in einem einzelnen Motorzyklus oder Zylinderereignis abgeschlossen und ermöglicht einen Wechsel zwischen den Verbrennungsmodi in einem einzelnen Zyklus.
  • 3 stellt den Ventilhub (in mm) 132 bezogen auf Kurbelwinkelgrade (CAD) 134 für beispielhafte Nockenprofile mit niedrigem Hub und mit hohem Hub dar. Die beispielhaften Nockenprofile mit niedrigem Hub und mit hohem Hub umfassen Auslassnockenprofile in den Profilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub 130 bzw. 135 sowie Einlassnockenprofile in den Profilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub 140 bzw. 145. Das Auslassnockenprofil beginnt in dem Modus 130 mit niedrigem Hub an dem Punkt 136 zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 138 und schließt an dem Punkt 139 vollständig. Das Auslassnockenprofil beginnt in dem Modus 135 mit hohem Hub an dem Punkt 136' zu öffnen, erreicht den maximalen Hub an dem Punkt 138' und schließt an dem Punkt 139 vollständig. Das Einlassnockenprofil beginnt bei dem Nocken-Profil 140 mit niedrigem Hub an dem Punkt 142 zu öffnen, erreicht den maximalen Hub an dem Punkt 144 und schließt an dem Punkt 146 vollständig. Das Einlassnockenprofil beginnt bei dem Nockenprofil 145 mit hohem Hub an dem Punkt 142' zu öffnen, erreicht den maximalen Hub an dem Punkt 144' und schließt bei 146' vollständig. Es ist einzusehen, dass die beispielhaften Nockenprofile eine von vielen Kombinationen sind, die verwendet werden können, und dass sie die möglichen Kombinationen von Nockenprofilen nicht einschränken sollen.
  • 4 stellt Einstellungen von Motorparametern während des laufenden Motorbetriebs graphisch dar, was umfasst, dass zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus 185 und dem SI-Verbrennungsmodus 190 gewechselt wird. Die Motorparameter umfassen das AFR 150 mit einem mageren Betrieb 151, einem stöchiometrischen Betrieb 152 und einem fetten Betrieb 153, die Drosselposition 155, die zwischen vollständig geschlossen 156 und WOT 158 variiert, das Ventilhubprofil 160 bei einem Profil 162 mit niedrigem Hub oder einem Profil 164 mit hohem Hub, die Nockenphaseneinstellung (VCP) 165 mit einer NVO 166 bis zu einer PVO 168, die AGR-Steuerung 170, wie sie mit SI-Verbrennung 172 und mit HCCI-Verbrennung 174 betrieben wird, den Zündfunkenzeitpunkt 175, wie er bei SI-Verbrennung 176 oder bei HCCI-Verbrennung 178 betrieben wird, und den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt 180, wie er bei einer Einstellung 182 für den SI-Verbrennungsmodus und einer Einstellung 184 für den HCCI-Verbrennungsmodus betrieben wird.
  • Der Motor 10 wird anfänglich in dem HCCI-Verbrennungsmodus 185 betrieben. Während des HCCI-Verbrennungsmodus 185 ermittelt das Steuermodul 5 die Motorbetriebsbedingungen, die angeben, dass ein Ziel-Fenster 195 für die Umschaltung von HCCI auf SI erreicht wurde. Das Steuermodul 5 weist während des Ziel-Fensters 195 für die Umschaltung von HCCI auf SI eine Änderung in dem Verbrennungsmodus an. Die schnellen Motoraktuatoren, d. h. die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28, das Funkenzündungssystem und der VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24, schalten gleichzeitig mit der angewiesenen Änderung auf Steuereinstellungen des Einspritzungszeitpunkts 180, des Zündfunkenzeitpunkts 175 und des Ventilhubprofils 160 um, die dem SI-Verbrennungsmodus zugeordnet sind. Dies umfasst, dass die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 die Einlass- und die Auslassventile 20, 18 von dem Ventilprofil 162 mit niedrigem Hub auf das Ventilprofil 164 mit hohem Hub umschalten. Der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt 180 und der zugeordnete Zündfunkenzeitpunkt 175 werden gleichzeitig mit der Änderung in dem Ventilhubprofil 160 auf Einstellungen 184 bzw. 178 angepasst, die dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen. Es ist einzusehen, dass das Umschalten der Einlass- und der Auslassventile 20, 18 von dem Ventilprofil 162 mit niedrigem Hub auf das Ventilprofil 164 mit hohem Hub die Einlassluftströmung erhöht. Um das beispielhafte stächiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis bei dem Umschalten aufrecht zu erhalten, entspricht die Einstellung 184 des SI-Verbrennungsmodus für die Kraftstoffzufuhr des Motors einer erhöhten Kraftstoffmasse. Die erhöhte Kraftstoffmasse erfordert eine Einstellung 178 des SI-Verbrennungsmodus für den Zündfunkenzeitpunkt, die bewirkt, dass eine stabile Motorlast während des Umschaltens und mit der erhöhten Kraftstoffmasse aufrechterhalten wird. Vorzugsweise wird die Einstellung 178 des SI-Verbrennungsmodus bei dem Wechsel nach früh verstellt (relativ zu einer SI-Einstellung für ein mittleres Bestdrehmoment (MBT)), um die Verbrennungsphaseneinstellung ausreichend nach früh zu verstellen, um eine Kontinuität der Motorlast während des Umschaltens der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile aufrecht zu erhalten. Sobald die schnellen Motoraktuatoren übergeleitet sind, steuert das Steuermodul 5 den Motor 10 in den SI-Verbrennungsmodus. Das Überleiten der schnellen Motoraktuatoren findet vorzugsweise innerhalb eines Motorzyklus statt. Während des Wechsels bleiben die langsamen Motoraktuatoren, d. h. die AGR-Ventilposition 170, die Nockenphaseneinstellung 165 und die Drosselposition 155, bei Betriebseinstellungen, die den vorhergehenden Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entsprechen.
  • Bei dem Abschließen des Wechsels von dem HCCI-Vebrennungsmodus 185 in den SI-Verbrennungsmodus 190 mit den schnellen Motoraktuatoren beginnt das Steuermodul 5, die langsamen Motoraktuatoren auf Betriebseinstellungen zu steuern, die dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus zugeordnet sind. Das Steuermodul 5 weist die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 an, die Nockenphaseneinstellung mit PVO 168 anzupassen, wodurch die Einlassluftströmung modifiziert wird, was das AFR in Abhängigkeit von der verwendeten Motor-Kraftstoffzufuhr und der verwendeten LIVC-Strategie beeinflussen kann. Die Drosselöffnung kann von WOT 158 bis zu einem vorbestimmten Winkel abnehmen, der für den Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus gewünscht ist, wenn die LIVC-Strategie das korrekte AFR nicht berücksichtigt. Die AGR 170 schaltet von dem Einlass-Sauerstoffniveau, das für den HCCI-Verbrennungsmodus erforderlich ist, auf dasjenige um, das für den Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus gewünscht ist. Alternativ können die langsamen Motoraktuatoren vor und nach dem Wechsel in einem stöchiometrischen HCCI-Verbrennungsmodus arbeiten.
  • Während des Betriebs des Motors 10 in dem SI-Verbrennungsmodus 190 ermittelt das Steuermodul 5 die Motorbetriebsbedingungen, die angeben, dass das Ziel-Fenster 200 für die Umschaltung von SI auf HCCI erreicht ist. Das Steuermodul 5 weist während des Ziel-Fensters 200 für die Umschaltung von SI auf HCCI eine Änderung in dem Verbrennungsmodus an. Die schnellen Motoraktuatoren, d. h. die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28, das Funkenzündungssystem und der VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24, schalten auf Steuereinstellungen des Einspritzungszeitpunkts 180, des Zündfunkenzeitpunkts 175 und des Ventilhubprofils 160 um, die dem HCCI-Verbrennungsmodus zugeordnet sind. Das Einlass- und das Auslass-VCP/VLC-System 22, 24 schalten das Ventilhubprofil 160 von dem Ventilprofil 164 mit hohem Hub auf das Ventilprofil 162 mit niedrigem Hub um. Der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt 180 und der zugeordnete Zündfunkenzeitpunkt 175 werden gleichzeitig mit der Änderung in dem Ventilhub auf Einstellungen 182 bzw. 176 angepasst, die der HCCI-Verbrennung entsprechen. Es ist einzusehen, dass die Umschaltung der Einlass- und der Auslassventile 20, 18 von dem Ventilprofil 164 mit hohem Hub auf das Ventilprofil 162 mit niedrigem Hub die Einlassluftströmung verringert. Um das beispielhafte stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis bei dem Umschalten aufrecht zu erhalten, entspricht die Einstellung 182 des HCCI-Verbrennungsmodus für die Kraftstoffzufuhr des Motors einer verringerten Kraftstoffmasse. Die verringerte Kraftstoffmasse erfordert eine Einstellung 176 des HCCI-Verbrennungsmodus für den Zündfunkenzeitpunkt, die bewirkt, dass eine stabile Motorlast während des Umschaltens und mit der erhöhten Kraftstoffmasse aufrechterhalten wird. Vorzugsweise liefert die Einstellung 176 des SI-Verbrennungsmodus bei dem Wechsel eine Verbrennungsphaseneinstellung, die ausreicht, um eine Kontinuität der Motorlast während des Umschaltens der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile aufrecht zu erhalten, wenn ein Zündfunken überhaupt benötigt wird. Sobald die schnellen Motoraktuatoren übergeleitet sind, betreibt das Steuermodul 5 den Motor in dem HCCI-Verbrennungsmodus 185. Der Wechsel der schnellen Motoraktuatoren findet vorzugsweise innerhalb eines Motorzyklus statt. Während des Wechsels werden die langsamen Motoraktuatoren, d. h. diejenigen, die der AGR-Ventilöffnung 170, der Nockenphaseneinstellung 165 und der Drosselposition 155 zugeordnet sind, bei Betriebseinstellungen gesteuert, die den vorhergehenden Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus 190 zugeordnet sind.
  • Bei dem Wechseln von dem SI-Verbrennungsmodus 190 in den HCCI-Verbrennungsmodus 185 mit den schnellen Motoraktuatoren steuert das Steuermodul 5 die langsamen Motoraktuatoren, um diese mit Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus zu betreiben. Das Steuermodul 5 weist das Einlass- und das Auslass-VCP/VLC-System 22, 24 an, die Nockenphaseneinstellung 165 auf die NVO 166 anzupassen, wodurch das AFR in Abhängigkeit von der Motor-Kraftstoffzufuhr modifiziert wird. Wenn sich Drosselposition 155 aufgrund der vorhergehenden Motor-Kraftstoffzufuhr nicht bei der WOT 158 befindet, beginnt die Drosselposition 155, von dem SI-Betriebwinkel bis zu der WOT 158 zuzunehmen. Die AGR-Ventilposition 170 schaltet von dem Einlass-Sauerstoffniveau, das für die SI-Verbrennung 172 erforderlich ist, auf dasjenige um, das für den Betrieb mit HCCI-Verbrennung gewünscht ist. Alternativ können die langsamen Motoraktuatoren vor und nach dem Wechsel in einem stöchiometrischen HCCI-Verbrennungsmodus betrieben werden.
  • 5 ist eine graphische Darstellung des Betriebs eines beispielhaften Motors, der von dem SI-Verbrennungsmodus 190 in den HCCI-Verbrennungsmodus 185 nur unter Verwendung der schnellen Motoraktuatoren des Steuerschemas wechselt, das hierin dargestellt ist, und es sind die Motorlast als NMEP 205 und die Verbrennungsphaseneinstellung als CA50 210 über einer Anzahl von Zyklen 220 gezeigt. Die beispielhafte Grafik ist während eines Motorbetriebs bei ungefähr 1000 RPM, einem stöchiometrischen AFR und einem Ende der Einspritzung von ungefähr 260 Grad vor dem oberen Totpunkt (bTDC) ermittelt worden. Der Motor 10 arbeitet in dem SI-Verbrennungsmodus 190 und wechselt bei der Linie 215 in den HCCI-Verbrennungsmodus 185. Die Verbrennungsphaseneinstellung erscheint innerhalb eines Betriebsbandes, das anhand der SI-Steuerung erwartet wird. Die Motorlast befindet sich ebenso innerhalb eines akzeptierbaren Betriebsbandes. Die schnellen Motoraktuatoren, die dem Ventilhubprofil 160 und dem Zündfunkenzeitpunkt 175 zugeordnet sind, werden auf Betriebseinstellungen modifiziert, die dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus 185 zugeordnet sind. Die langsamen Motoraktuatoren, die der AGR 170, der Nockenphaseneinstellung 165 und der Drosselposition 155 zugeordnet sind, bleiben unverändert. Die rechte Seite der Linie 215 zeigt den Betrieb des HCCI-Verbrennungsmodus 185, bei dem die Motoraktuatoren gesteuert werden, wie vorstehend diskutiert wurde. Der CA50 210 variiert stärker als während des Betriebs in dem SI-Verbrennungsmodus 190. Die Motorlast, wie sie durch den NMEP 205 repräsentiert wird, wird jedoch in einem schmaleren Band gesteuert. Daher kann der Motor 10 sowohl in dem SI-Modus 190 als auch in dem HCCI-Modus 185 gesteuert werden, indem nur die schnellen Motoraktuatoren betrieben werden.
  • Andere Ausführungsformen können andere Verbrennungsmotoren mit einer Öffnungssteuerung für ein steuerbares mehrstufiges Ventil umfassen, einschließlich solcher, die mehrstufige Ventilöffnungen und/oder eine variable Nockenphaseneinstellung nur für die Einlassventile oder für die Auslassventile verwenden.
  • 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 Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der eine Einlassnockenwelle mit einem Einlassnocken mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken mit hohem Hub, eine variable Hubsteuerung zum selektiven Betreiben eines Einlassventils mit einem Ventilprofil mit niedrigem Hub mittels des Einlassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Ventilprofil mit hohem Hub mittels des Einlassnockens mit hohem Hub, eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Einlassnockenwelle zum gleichzeitigen Steuern der Phase des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub betreibbar ist, eine Zündfunkensteuerung, eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung, eine Abgasrückführungssteuerung und eine Einlassdrosselsteuerung aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motor betrieben wird a) in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub umfasst, oder b) in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit hohem Hub umfasst, und innerhalb eines vorbestimmte Bereichs von Motorlasten und Nockenwellen-Phaseneinstellungen, wobei das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub und das Einlassventilprofil mit hohem Hub eine jeweilige Einlassluftströmung in dem entsprechenden HCCI-Verbrennungsmodus und SI-Verbrennungsmodus, die für eine stabile Verbrennung förderlich ist, ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken bewirken; zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus ausschließlich durch Einstellungen der variablen Hubsteuerung, der Zündfunkensteuerung und der Kraftstoffeinspritzungssteuerung gewechselt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Wechseln die variable Nockenphasensteuerung, die Abgasrückführungssteuerung und/oder die Einlassdrosselsteuerung angepasst werden.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der eine Einlassnockenwelle mit einem Einlassnocken mit niedrigem Hub und einen Einlassnocken mit hohem Hub, eine variable Hubsteuerung zum selektiven Betreiben eines Einlassventils mit einem Ventilprofil mit niedrigem Hub mittels des Einlassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Ventilprofil mit hohem Hub mittels des Einlassnockens mit hohem Hub, eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Einlassnockenwelle zum gleichzeitigen Steuern der Phase des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub betreibbar ist, eine Zündfunkensteuerung, eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung, eine Abgasrückführungssteuerung und eine Einlassdrosselsteuerung aufweist, wobei die Wechselsteuerung umfasst, dass: der Motor in einem von einem ersten Verbrennungsmodus betrieben wird, der umfasst a) einen Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub umfasst, oder b) einen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit hohem Hub umfasst, von dem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus, der den anderen von dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus umfasst, ausschließlich durch Einstellungen der variablen Hubsteuerung, der Funkenzündungssteuerung und der Kraftstoffeinspritzungssteuerung gewechselt wird, wenn sich der Motor innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Motorlasten und Nockenwellen-Phaseneinstellungen befindet, wobei das jeweilige Einlassventilprofil mit niedrigem Hub und Einlassventilprofil mit hohem Hub eine jeweilige Einlassluftströmung in dem entsprechenden HCCI-Verbrennungsmodus und SI-Verbrennungsmodus, die für eine stabile Verbrennung förderlich ist, ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken bewirkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Verbrennungsmodus den HCCI-Verbrennungsmodus mit einer Einstellung der variablen Nockenphasensteuerung bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung umfasst, die eine negative Ventilüberlappung des Ventilprofils mit niedrigem Hub herstellt, und der zweite Verbrennungsmodus den SI-Verbrennungsmodus mit der Einstellung der variablen Nockenphasensteuerung bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung umfasst, die ein spätes Öffnen des Einlassventils für das Einlassventilprofil mit hohem Hub herstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass die Kraftstoffmasse bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung erhöht wird und der Zündfunkenzeitpunkt ausreichend eingestellt wird, um eine Kontinuität der Motorlast über die Anpassung der variablen Hubsteuerung aufrecht zu erhalten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das ausreichende Einstellen des Zündfunkenzeitpunkts, um die Kontinuität der Motorlast über die Anpassung der variablen Hubsteuerung aufrecht zu erhalten, umfasst, dass die Einstellung des Zündfunkenzeitpunkts relativ zu einer Einstellung für ein mittleres Bestdrehmoment in dem SI-Verbrennungsmodus nach früh verstellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Verbrennungsmodus den SI-Verbrennungsmodus mit einer Einstellung der variablen Nockenphasensteuerung bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung umfasst, welche ein spätes Öffnen des Einlassventils für das Einlassventilprofil mit hohem Hub herstellt, und der zweite Verbrennungsmodus den HCCI-Verbrennungsmodus mit der Einstellung der variablen Nockenphasensteuerung bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung umfasst, welche eine negative Ventilüberlappung für das Ventilprofil mit niedrigem Hub herstellt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst, dass die Kraftstoffmasse bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung abnimmt und der Zündfunkenzeitpunkt ausreichend eingestellt wird, um eine Kontinuität der Motorlast über die Anpassung der variablen Hubsteuerung aufrecht zu erhalten.
  9. Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, die umfasst: eine Einlassnockenwelle mit einem Einlassnocken mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken mit hohem Hub; eine variable Hubsteuerung für ein selektives Betreiben eines Einlassventils mit einem Einlassventilprofil mit niedrigem Hub mittels des Einlassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Einlassventilprofil mit hohem Hub mittels des Einlassnockens mit hohem Hub; eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Einlassnockenwelle für ein gleichzeitiges Steuern der Phase des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub betreibbar ist; eine Zündfunkensteuerung; eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung; eine Abgasrückführungssteuerung; eine Einlassdrosselsteuerung und eine Verbrennungsmodus-Wechselsteuerung, die den Motor betreibt a) in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub umfasst, oder b) in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus), der das Einlassventilprofil mit hohem Hub umfasst, und innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Motorlasten und Nockenwellen-Phaseneinstellungen, wobei das Einlassventilprofil mit niedrigem Hub und das Einlassventilprofil mit hohem Hub jeweilige Einlassluftströmungen in dem entsprechenden HCCI-Verbrennungsmodus und SI-Verbrennungsmodus, welche für eine stabile Verbrennung förderlich sind, ausschließlich durch eine Steuerung von Kraftstoff und Zündfunken bewirken; und die zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus ausschließlich durch Einstellungen der variablen Hubsteuerung, der Zündfunkensteuerung und der Kraftstoffeinspritzungssteuerung wechselt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Wechseln zwischen dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus umfasst, dass von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus gewechselt wird, wobei Anpassungen der Kraftstoffmasse eine zunehmende Kraftstoffmasse bei der Anpassung der variablen Hubsteuerung umfassen und wobei die Anpassung des Zündfunkenzeitpunkts ausreichend ist, um eine Kontinuität der Motorlast über die Anpassung der variablen Hubsteuerung aufrecht zu erhalten.
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