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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft einen Motor, der in zwei diskreten Verbrennungsmodi betreibbar ist.
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HINTERGRUND
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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.
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SI-Motoren können in einer Vielzahl von verschiedenen Verbrennungsmodi arbeiten, die einen SI-Verbrennungsmodus mit homogener Ladung 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.
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Während des Motorbetriebs wird die Motorluftströmung gesteuert, indem die Position des Drosselventils selektiv eingestellt wird, eine äußere Abgasrückführungsströmung (AGR) gesteuert wird und das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen 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 Ventilhubpositionen liefern. Im Gegensatz zu der Drosselpositionsänderung, die im Wesentlichen kontinuierlich ist, ist die Änderung der Ventilposition des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine diskrete Änderung.
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Wenn ein Motor in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis mit weit offener Drossel (WOT), um Motorpumpverluste zu minimieren. Wenn der Motor in dem SI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor vorzugsweise bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem das Drosselventil über einen Bereich von Positionen von 0% bis 100% der weit offenen Drosselposition gesteuert wird, um die Einlassluftströmung zum Erreichen des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses zu steuern.
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In einem Motor, der ausgebildet ist, um entweder in dem SI- oder 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.
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In der
US 7 370 616 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Wechsels zwischen einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) und einem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung (HCCI-Verbrennungsmodus) in einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung beschrieben. Dabei werden eine Einlass- und eine Auslassnockenwelle von anfänglichen Phaseneinstellungen über mehrere Motorzyklen zu Ziel-Phaseneinstellungen übergeleitet. Ein Zündzeitpunkt und eine eingespritzte Kraftstoffmasse werden ferner mit dem Überleiten der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen abgestimmt, um die Kontinuität einer Motorlast während des Überleitens der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen aufrecht zu erhalten.
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Die
US 2009/0 259 387 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Steuerung eines Wechsels vom SI-Verbrennungsmodus in den HCCI-Verbrennungsmodus, wobei vor dem Wechsel der Zündzeitpunkt über eine Soll-Einstellung des SI-Verbrennungsmodus hinaus nach früh verstellt wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Steuern eines Wechsels zwischen Verbrennungsmodi eines Motors zu schaffen, welches einen unmittelbaren Wechsel ohne Drehmomentstörungen und ohne zusätzliches Verbrennungsgeräusch ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 gelöst.
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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 betreibbar ist, um die Phaseneinstellungen des Einlassnockens mit niedrigem Hub und des Einlassnockens mit hohem Hub gleichzeitig zu steuern, eine Auslassnockenwelle mit einem Auslassnocken mit niedrigem Hub und einem Auslassnocken mit hohem Hub, eine variable Hubsteuerung zum selektiven Betreiben eines Auslassventils mit einem Auslassnockenprofil mit niedrigem Hub mittels des Auslassnockens mit niedrigem Hub oder mit einem Auslassventilprofil mit hohem Hub mittels des Auslassnockens mit hohem Hub, eine variable Nockenphasensteuerung, die an der Auslassnockenwelle betreibbar ist, um Phaseneinstellungen des Auslassnockens mit niedrigem Hub und des Auslassnockens mit hohem Hub gleichzeitig zu steuern, eine Zündfunkensteuerung und eine Kraftstoffeinspritzungssteuerung auf. Eine Verbrennungsmodus-Wechselsteuerung zum Steuern eines Wechsels zwischen einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus) und einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) umfasst, dass die Einlass- und die Auslassnockenwelle von anfänglichen Phaseneinstellungen, die dem HCCI- oder dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen, langsam, d. h. über mehrere Motorzyklen, zu Ziel-Phaseneinstellungen übergeleitet werden, die dem anderen von dem HCCI- und dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen. Ein Zündfunkenzeitpunkt und eine eingespritzte Kraftstoffmasse werden mit dem Überleiten der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen abgestimmt, um die Kontinuität einer Motorlast während des Überleitens der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen aufrecht zu erhalten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 eine schematische Zeichnung eines Verbrennungsmotors mit einem begleitenden Steuermodul gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2 einen Ventilhub in Relation zu einer Kolbenposition gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, einschließlich von beispielhaften Auslassnocken-Ventilprofilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub sowie von beispielhaften Einlassnocken-Ventilprofilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub während des Betriebs des beispielhaften Motors mit niedriger Last;
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3 einen Ventilhub in Relation zu einer Kolbenposition gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, einschließlich von beispielhaften Auslassnocken-Ventilprofilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub sowie von beispielhaften Einlassnocken-Ventilprofilen mit niedrigem Hub und mit hohem Hub während des Betriebs des beispielhaften Motors mit hoher Last;
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4 eine Massenströmungsrate in jeden Zylinder in Relation zu einem Nockenphaseneinstellungswinkel für Nockenprofile mit hohem Hub und mit niedrigem Hub gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
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5 eine Motorlast in Relation zu einem Zündzeitpunkt an einem festen Arbeitspunkt in dem SI-Verbrennungsmodus gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt;
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6 eine maximale Anstiegsrate des Zylinderinnendrucks in Relation zu dem Zündzeitpunkt bei einem festen Arbeitspunkt in dem SI-Verbrennungsmodus gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt; und
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7 Zustände von Motorsteuerparametern während Verbrennungsmoduswechseln gemäß der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellt, welche die eingespritzte Kraftstoffmasse, den Verbrennungsmodus, das Drehmoment, den Zündzeitpunkt, die Drosselposition, die Ventilüberlappung sowie den Einlass- und den Auslassventilhub umfassen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, ist 1 eine schematische Zeichnung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem begleitenden Steuermodul 5, die gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 ist in mehreren Verbrennungsmodi selektiv betriebsfähig, die einen Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus) und einen 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.
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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 120 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 Motorauslass zu dem Einlasskrümmer 29 zurück und weist ein Strömungssteuerventil auf, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 ist betreibbar, um die Massenströmung des Abgases zu dem Einlasskrümmer 29 zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils 38 mittels eines Steuersignals 44 gesteuert wird.
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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.
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Die Einlass-VCP/VLC-Einrichtung 22 umfasst vorzugsweise einen Mechanismus, der dazu dient, für jeden Zylinder 15 in Ansprechen auf ein Steuersignal 126 den Ventilhub (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 ein Steuersignal 124 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.
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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 124 bzw. 126 betätigt.
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Der Motor 10 weist ein Kraftstoffeinspritzungssystem auf, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 umfasst, die ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Steuersignal 112 für die eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuermodul 5 in eine der Verbrennungskammern 16 direkt einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
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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 118 für den Zündzeitpunkt von dem Steuermodul 5 zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen.
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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, 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 Zustand eines Verbrennungsparameters 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 Zustände des IMEP für jeden der Zylinder 15 des Motors während jedes Zylinder-Zündungsereignisses zu überwachen und zu ermitteln. Alternativ können 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.
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Im Betrieb überwacht das Steuermodul 5 Eingaben von den zuvor erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorparametern zu ermitteln. 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.
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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 des Zeitpunkts sowie der Phaseneinstellung der Einlass- und/oder Auslassventile bei derart ausgestatteten Motoren umfasst. Die Zeiteinstellung und die Phaseneinstellung der Ventile können bei einer Ausführungsform eine negative Ventilüberlappung (NVO) und einen Hub einer Auslassventil-Wiederöffnung (bei einer Abgas-Rückatmungsstrategie) umfassen. 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.
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Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, 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-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.
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Während des Motorbetriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus ist das Drosselventil 34 vorzugsweise im Wesentlichen weit offen (WOT), wobei der Motor 10 bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird. Die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 befinden sich in der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub, und die zeitliche Steuerung des Einlass- und des Auslasshubs arbeitet mit NVO. 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. 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.
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Während des Motorbetriebs in dem homogenen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) wird das Drosselventil 34 gesteuert, um die Luftströmung zu regeln. Der Motor 10 wird auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert, und die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 befinden sich in der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub, und die zeitliche Steuerung des Einlass- und der Auslasshubs arbeitet mit PVO. 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.
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Das Steuermodul 5 leitet den Motorbetrieb in einen bevorzugten Verbrennungsmodus über, der dem Betrieb des Motors 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus oder in dem SI-Verbrennungsmodus 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.
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Während Verbrennungsmoduswechseln 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 Hubprofile 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 Ventilphase und den Hub des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 und des Drosselventils 34 für die Drosselposition.
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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, und die Luftströmung wird gesteuert, um das bevorzugte Luft/Kraftstoffverhältnis zu erreichen. Das Steuermodul 5 steuert das Drosselventil 34, um dieses bis zu einer vorbestimmten Position zu öffnen, und es weist das Einlass- und das Auslass-VCP/VLC-System 22 und 24 an, die Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf eine relative kleine NVO der Ventilprofile mit niedrigem Hub einzustellen, wodurch der Krümmerdruck zunimmt. Die Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf die relative kleine NVO der Ventilprofile mit niedrigem Hub entsprechen den Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf die relative kleine PVO der Ventilprofile mit hohem Hub. Die Luftströmung nimmt anschließend 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 auf die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub umschaltet. Die Kraftstoffmasse entspricht der Motorlast während des Betriebs mit HCCI.
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Während eines Wechsels von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus wird der Motor 10 zu einem Betrieb bei dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis übergeleitet. Das Steuermodul 5 steuert die Drossel 34 zu einer vorbestimmten Position, und es steuert das Einlass- und das Auslass-VCP/VLC-System 22 und 24, um die Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf die relativ kleine PVO der Ventilprofile mit hohem Hub einzustellen, wodurch der Krümmerdruck verringert wird, während die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 von der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub auf die Ventilöffnungsposition mit hohem Hub um, wodurch die Luftströmung erhöht wird. Die Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf die relative kleine PVO der Ventilprofile mit Hohem Hub entsprechen den Einlass- und die Auslass-Nockenphaseneinstellungen auf die relative kleine NVO der Ventilprofile mit niedrigem Hub.
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Es ist bekannt, dass bestimmte Motorakutatoren ein schnelles dynamisches Ansprechen aufweisen (bekannt als schnelle Motoraktuatoren) und innerhalb eines einzigen Motorzyklus oder Verbrennungsereignisses an eine neue angewiesene Ausgabe angepasst werden können. Die schnellen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Funkenzündungseinrichtungen und Ventilhubmechanismen (wie beispielsweise Mechanismen mit zweistufigem Ventilhub). Andere Motoraktuatoren sind langsamer bei dem Bewirken eines Wechsels in Ansprechen auf ein Steuersignal (bekannt als langsame Motoraktuatoren), und sie benötigen aufgrund von Komponententrägheiten, mechanischen Ansprechzeiten und Luftströmungsverzögerungen mehrere Motorzyklen oder mehrere Zylinderereignisse für eine Anpassung an eine neue angewiesene Ausgabe. Die langsamen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise das AGR-Ventil, die Drossel und die Ventilphasensteller. Da die Verbrennungsphaseneinstellung hauptsächlich durch den Zündfunkenzeitpunkt beeinflusst wird, wird von der Verbrennungsphaseneinstellung ebenfalls angenommen, dass sie ein schnelles dynamisches Ansprechen aufweist. Der Ausdruck langsam und seine Varianten bedeuten, wenn sie sich auf Motoraktuatoren und die Motorsteuerung oder deren Ansprechen beziehen, wie sie hierin verwendet werden, über mehrere Motorzyklen oder mehrere Zylinderereignisse. Auf ähnliche Weise bedeuten der Ausdruck schnell und seine Varianten, wenn sie sich auf Motoraktuatoren und die Motorsteuerung oder deren Ansprechen beziehen, wie sie hierin verwendet werden, über einen einzigen Motorzyklus oder ein einziges Zylinderereignis.
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2 stellt einen Ventilhub 53 in Millimetern in Relation zu Kurbelwinkelgraden 51 graphisch dar, einschließlich eines beispielhaften Auslassnocken-Ventilprofils 50 mit niedrigem Hub und eines Auslassnocken-Ventilprofils 52 mit hohem Hub sowie einem Einlassnocken-Ventilprofil 54 mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken-Ventilprofil 56 mit hohem Hub während des Betriebs des beispielhaften Motors 10 mit niedriger Last. Die Ventilprofile mit niedrigem Hub für den Einlassnocken 50 und den Auslassnocken 54 entsprechen dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus. Die Ventilprofile mit hohem Hub für den Auslassnocken 52 und den Einlassnocken 56 entsprechen dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus. Das Auslassnockenprofil 50 mit niedrigem Hub beginnt an dem Punkt 48 zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 49 und schließt an dem Punkt 55 vollständig. Das Auslassnockenprofil 52 mit hohem Hub beginnt an dem Punkt 48' zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 49' und schließt an dem Punkt 55' vollständig. Das Nockenprofil 54 mit niedrigem Hub des Einlassnockens beginnt an dem Punkt 57 zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 58 und schließt an dem Punkt 59 vollständig. Das Nockenprofil 56 mit hohem Hub des Einlassnockens beginnt an dem Punkt 57' zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 58' und schließt bei 59' vollständig. Die Auslassnocken- und Einlassnockenprofile zeigen bei einer Ausführungsform sowohl in dem beispielhaften HCCI-Verbrennungsmodus als auch in dem SI-Verbrennungsmodus eine maximale negative Ventilüberlappung. Ein Fachmann versteht, dass die beispielhaften Nockenprofile eine von vielen Kombinationen sind, die verwendet werden können, und dass sie nicht bedeuten sollen, dass sie alle möglichen Nockenprofilkombinationen umfassen.
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3 stellt einen Ventilhub 63 in Millimetern in Relation zu Kurbelwinkelgraden 61 graphisch dar, einschließlich eines beispielhaften Auslassnocken-Ventilprofils mit niedrigem Hub und eines Auslassnocken-Ventilprofils 62 mit hohem Hub sowie eines Einlassnocken-Ventilprofils 64 mit niedrigem Hub und eines Einlassnocken-Ventilprofils 66 mit hohem Hub während des Betriebs des beispielhaften Motors 10 mit hoher Last. Die Ventilprofile mit niedrigen Hub für den Auslassnocken 60 und den Einlassnocken 64 entsprechen dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus. Die Ventilprofile mit hohem Hub für den Einlassnocken 62 und den Auslassnocken 66 entsprechen dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus. Das Auslassnockenprofil 60 mit niedrigem Hub ist im Vergleich zu demjenigen, das in 2 dargestellt ist, während des Betriebs mit hoher Last nach spät verstellt und beginnt an dem Punkt 63 zu öffnen, erreicht ein Maximum an dem Punkt 65 und schließt an dem Punkt 67 vollständig. Das Auslassnockenprofil 62 mit hohem Hub ist ebenfalls um denselben Betrag wie das Nockenprofil 60 mit niedrigem Hub nach spät verstellt und beginnt an dem Punkt 63' zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 65 und schließt an dem Punkt 67' vollständig.
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Das Nockenprofil 64 mit niedrigem Hub des Einlassnockens ist im Vergleich zu demjenigen, das in 2 gezeigt ist, während des Betriebs mit hoher Last nach früh verstellt und beginnt an dem Punkt 68 zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 69 und schließt an dem Punkt 70 vollständig. Das Nockenprofil 66 mit hohem Hub des Einlassnockens ist ebenso um denselben Betrag wie das Nockenprofil 64 mit niedrigem Hub nach früh verstellt und beginnt an dem Punkt 68' zu öffnen, erreicht einen maximalen Hub an dem Punkt 69' und schließt bei 70' vollständig. Das Auslassnockenprofil repräsentiert bei einer Ausführungsform die minimale negative Ventilüberlappung, die in dem beispielhaften HCCI-Verbrennungsmodus erreicht wird. Das Einlassnockenprofil repräsentiert die maximale positive Ventilüberlappung, die in dem beispielhaften SI-Verbrennungsmodus erreicht wird. Es ist einzusehen, dass die beispielhaften Nockenprofile eine von vielen Kombinationen sind, die verwendet werden können, und dass sie nicht bedeuten sollen, dass sie alle möglichen Nockenprofilkombinationen umfassen. Es ist einzusehen, dass die Änderungen in der Phaseneinstellung der Einlass- und der Auslassnockenprofile mit der Änderung in der Last kontinuierlich sind und gemäß der angeforderten Motorlast und den Motoreffizienzen modifiziert werden. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Nockenprofil-Phaseneinstellung veranschaulichend ist und für eine spezielle Anwendung in Abhängigkeit von Betriebsparametern variiert werden kann, wie beispielsweise dem hörbaren Verbrennungsgeräusch, der Luftströmung und der Kraftstoffeffizienz.
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4 stellt eine Zylinderluftmasse 73 in Milligramm in jedem Zylinder graphisch dar, die mit dem Nockenphaseneinstellungswinkel 71 bezogen auf 2 und 3 korreliert ist, der durch Kurbelwinkelgrade repräsentiert wird. Die linke Seite der Graphik zeigt die Luftströmung für die Nockenprofile 72, 74 mit niedrigem Hub bzw. mit hohem Hub, wenn der Motor mit niedriger Last arbeitet, z. B. wie in 2. Die rechte Seite der Graphik zeigt die Luftströmung für die Nockenprofile, wenn der Motor mit hoher Last arbeitet, z. B. wie in 3. Wenn die Motorlast zunimmt, nimmt der Betrag der Nockenphaseneinstellung zu, wodurch eine größere Luftmasse in jeden Zylinder strömt. Bei der HCCI-Verbrennung wird das Nockenprofil 72 mit niedrigem Hub verwendet. Wenn das Nockenprofil 72 mit niedrigem Hub den Motorbetrieb mit hoher Last erreicht, schalten die Nockenprofile von dem Nockenprofil 72 mit niedrigem Hub auf das Nockenprofil 74 mit hohem Hub um, um in dem Niedriglast-SI-Verbrennungsmodus zu arbeiten. Die Differenz der Luftströmung zwischen den Nockenprofilen 72, 74 mit niedrigem Hub bzw. mit hohem Hub ist im Wesentlichen, dass man sich von ungefähr 300 mg zu ungefähr 500 mg bewegt. Ein nahezu stöchiometrisches Luft/Kraftstoffgemisch ist in dem SI-Verbrennungsmodus wünschenswert, und daher würde die Umschaltung von dem Nockenprofil mit niedrigem Hub auf das Nockenprofil mit hohem Hub zusammen mit einem nahezu stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch eine höhere Diskontinuität oder Unterbrechung für die Last und eine niedrigere Diskontinuität oder Unterbrechung für das Verbrennungsgeräusch erzeugen.
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5 stellt die Motorlast 83, als NMEP, als eine Funktion des Zündzeitpunkts 81 in Grad nach dem oberen Totpunkt (nach TDC) bei einem festen Arbeitpunkt in dem SI-Verbrennungsmodus graphisch dar. Die Graphik gibt einen Trend der Motorlast an, wenn der Zündzeitpunkt von dem Punkt 84 zu dem Punkt 82 entlang der Kurve nach früh verstellt wird. Ein Punkt mit Spitzen-Ausgangsdrehmoment existiert an dem Punkt 86 mit einem Zündzeitpunkt von ungefähr –25 Grad nach TDC. Der Punkt 86 mit Spitzen-Ausgangsdrehmoment ist der Punkt, an dem sich das Drehmoment für einen gegebenen Satz von Motorbetriebsparametern bei der höchstmöglichen Ausgabe befindet. Wenn der Zündzeitpunkt über den Punkt 86 mit Spitzen-Ausgangsdrehmoment nach früh verstellt wird, verringert sich die Motorlast. Das Verstellen der Zündung nach früh über den Zeitpunkt hinaus, der eine maximale Last erzeugt (d. h. von dem Punkt 86 zu dem Punkt 82) wird als ein übermäßig nach früh verstellter Zündzeitpunkt bezeichnet und führt zu einer übermäßig nach früh verstellten Verbrennungsphaseneinstellung und zu einer abnehmenden Motorlast.
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6 stellt Daten, die eine maximale Anstiegsrate 93 des Zylinderinnendrucks in Kilopascal pro Kurbelwinkelgrad angeben, als eine Funktion des Zündzeitpunkts 91 in Grad nach TDC graphisch dar. Die maximale Anstiegsrate des Drucks ist ein Indikator eines hörbaren Verbrennungsgeräuschs. Je höher die Rate, umso mehr hörbares Verbrennungsgeräusch wird erzeugt. Daher zeigt das Niveau des hörbaren Verbrennungsgeräuschs einen signifikanten Anstieg von Punkt 94 bis zu dem Punkt 92. Der Punkt 92 und der Punkt 94 von 6 entsprechen demselben Zündzeitpunkt wie die Punkte 82 bzw. 84 von 5. Daher repräsentieren der Punkt 92 von 6 und der Punkt 82 von 5 eine niedrige Motorlast und ein hohes Niveau des hörbaren Verbrennungsgeräuschs, während der Punkt 94 von 6 und der Punkt 84 von 5 eine hohe Motorlast und ein niedriges Niveau des hörbaren Verbrennungsgeräuschs repräsentieren.
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Eine übermäßig nach früh verstellte Verbrennungsphaseneinstellung verringert die Motorlast 83 und erhöht das hörbare Verbrennungsgeräusch 93, wenn in dem SI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird. Jeder Zylinder kann unabhängig variiert werden, um Niveaus der Motorlast und Niveaus des hörbaren Verbrennungsgeräuschs zu liefern, die dem übergeleiteten HCCI-Verbrennungsmodus ähnlich sind. Daher kann ein Verbrennungsmoduswechsel durch Umschalten des Zündzeitpunkts und der Motorkraftstoffzufuhr ohne Drehmomentstörungen oder eine große Schwankung in dem hörbaren Verbrennungsgeräusch bewirkt werden, was zu einem glatten Übergang von einem Verbrennungsmodus in den anderen führt. Die Verbrennungsphaseneinstellung und die Motorkraftstoffzufuhr können auch in Abstimmung mit dem Ansprechen der langsamen Aktuatoren (z. B. des VCP-Anteils der VCP/VLC-Einrichtungen 22, 24 und des Drosselventils 34) zusammen steuerbar eingestellt werden, und sie liefern entsprechende Änderungen in der Motorlast und den Niveaus des Verbrennungsgeräuschs.
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7 stellt Zustände von Motoraktuatoren und zugeordneten Motorparametern während Verbrennungsmoduswechseln graphisch dar, welche die eingespritzte Kraftstoffmasse 112, den Verbrennungsmodus 114, das Drehmoment 116, den Zündzeitpunkt 118, die Drosselposition 120, die Ventilüberlappung 122 und den Einlass- bzw. den Auslassventilhub 124 bzw. 126 umfassen. Der Motor 10 wird anfänglich in dem HCCI-Verbrennungsmodus 100 betrieben. Während des HCCI-Verbrennungsmodus 100 weist das Steuermodul 5 einen Wechsel in dem SI-Verbrennungsmodus 110 beispielsweise zu der Zeit 130 an, zu der vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind. Die vorbestimmten Bedingungen, die einen angewiesenen Wechsel in den Verbrennungsmodi bewirken können, umfassen beispielsweise, dass die Motorlast und die Motordrehzahl außerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs liegen oder aus diesem herauslaufen, der dem gegenwärtigen Verbrennungsmodus zugeordnet ist (d. h. einer HCCI-Grenze bei hoher Last oder einer SI-Grenze bei niedriger Last). Das Steuermodul 5 ermittelt das momentane Betriebsdrehmoment und die Niveaus des hörbaren Verbrennungsgeräuschs. Das Steuermodul 5 kann Sensordaten oder Nachschlagetabellen oder andere geeignete Mittel verwenden, um die Drehmomentniveaus und die Niveaus des Verbrennungsgeräuschs zu ermitteln. Auf ähnliche Weise weist das Steuermodul 5 während des SI-Verbrennungsmodus 110 einen Wechsel in den HCCI-Verbrennungsmodus 100 beispielsweise zu der Zeit 132 an, zu der vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind.
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Der Wechsel von dem HCCI-Verbrennungsmodus 100 in den SI-Verbrennungsmodus 110 beginnt zu der Zeit 130 von 7. Die schnellen Motoraktuatoren, d. h. die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 und der VLC-Anteil der Einlass- und der Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24, schalten schnell auf eine Kraftstoffeinspritzung und Ventilprofile um, die dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 schalten die Einlass- und die Auslassventile schnell von den Ventilprofilen (0) mit niedrigem Hub auf die Ventilprofile (1) mit hohem Hub um, wodurch die Umschaltung von der relativ kleinen NVO der Ventilprofile mit niedrigem Hub (im Wesentlichen bei der Nockenphaseneinstellung der HCCI-Grenze bei hohem Hub, entsprechend 3) auf die relativ kleine PVO des Ventilprofils mit hohem Hub bei derselben Nockenwellen-Phaseneinstellung bewirkt wird. Zu derselben Zeit und im Wesentlichen gleichzeitig mit dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile wird die eingespritzte Kraftstoffmasse 112 gemäß der signifikant erhöhten Luftströmung, die den Ventilprofilen mit hohem Hub entspricht, stufenweise auf ein nahezu stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhöht (d. h. schnell umgeschaltet), und das Funkenzündungssystem steuert den Zündzeitpunkt 118 stufenweise auf eine übermäßig nach früh verstellte Einstellung (d. h. schaltet diesen schnell um), um die Verbrennungsphaseneinstellung zu steuern, um die Kontinuität der Motorlast und des Verbrennungsgeräuschs bei dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile im Wesentlichen aufrecht zu erhalten. Die eingespritzte Kraftstoffmasse und die Funkenzündung für jeden Zylinder können auf diese Weise einzeln gesteuert werden, um das gewünschte Gesamtniveau des Verbrennungsgeräuschs und des Drehmoments für den Motor zu erreichen. Folglich arbeitet der Motor anfänglich in dem SI-Verbrennungsmodus mit einer übermäßigen Verstellung des Zündfunkenzeitpunkts nach früh in zumindest einem Zylinder, um die Drehmomentabgabe und das hörbare Verbrennungsgeräusch derart zu steuern, dass der anfängliche Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus demjenigen ähnlich ist, der erreicht wird, wenn unmittelbar vor dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile in dem HCCI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird. Das Steuern der Verbrennungsphaseneinstellung ermöglicht daher einen im Wesentlichen unmittelbaren Wechsel ohne Störungen des Drehmoments oder des hörbaren Verbrennungsgeräuschs. Einer oder mehrere der langsamen Motoraktuatoren, d. h. der VCP-Anteil der VCP/VLC-Einrichtungen 22, 24 und das Drosselventil 34, wechseln langsam zu Einstellungen des SI-Verbrennungsmodus, was im Wesentlichen gleichzeitig mit dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile beginnt. Daher kann die Drosselposition 120 langsam von WOT(1) zu einer Einstellung des SI-Verbrennungsmodus wechseln, und die Ventilprofilüberlappung 122 wechselt langsam von der relativ kleinen PVO des Ventilprofils mit hohem Hub zu einer relativ gesehen größeren PVO des Ventilprofils mit hohem Hub. Diese langsamen Wechsel der langsamen Motoraktuatoren treten gemäß einer signifikant längeren Zeitkonstante als diejenige auf, die den schnellen Motoraktuatoren entspricht. In Abstimmung mit den langsamen Wechseln der langsamen Motoraktuatoren und der entsprechenden Zeitkonstante wird daher der Zündzeitpunkt 118 auf entsprechende endgültige Soll-Einstellungen für den SI-Verbrennungsmodus langsam nach spät verstellt und die eingespritzte Kraftstoffmasse 112 langsam auf solche verringert, um die Kontinuität der Motorlast während des Überleitens der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen im Wesentlichen aufrecht zu erhalten.
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Der Wechsel von dem SI-Verbrennungsmodus 110 in den HCCI-Verbrennungsmodus 100 beginnt zu der Zeit 132 von 7. Das Steuermodul 5 sagt das Betriebsdrehmoment und die Niveaus für das hörbare Verbrennungsgeräusch für den HCCI-Verbrennungsmodus 100 nach dem Wechsel voraus. Das Steuermodul 5 kann Sensordaten oder Nachschlagetabellen verwenden, um Drehmomentniveaus und Niveaus des Verbrennungsgeräuschs nach dem Wechsel für den HCCI-Verbrennungsmodus 100 zu ermitteln. Bei dem Wechsel von dem SI-Verbrennungsmodus 110 in den HCCI-Verbrennungsmodus 100 wechseln die langsamen Motoraktuatoren langsam gemäß der Zeitkonstante für die langsamen Motoraktuatoren, bevor die schnellen Motoraktuatoren schnell umschalten. Einer oder mehrere der langsamen Motoraktuatoren, d. h. der VCP-Anteil der VCP/VLC-Einrichtungen 22, 24 und das Drosselventil 34, wechseln vor der schnellen Umschaltung der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile langsam zu den Einstellungen für den HCCI-Verbrennungsmodus. Daher kann die Drosselposition 120 langsam von WOT(1) zu einer Einstellung für den SI-Verbrennungsmodus wechseln, und die Ventilprofilüberlappung 122 wechselt langsam von der relativ größeren PVC des Ventilprofils mit hohem Hub zu der relativ kleineren PVO des Ventilprofils mit hohem Hub. Diese langsamen Wechsel der langsamen Motoraktuatoren treten gemäß einer signifikant längeren Zeitkonstante als diejenige auf, die den schnellen Motoraktuatoren entspricht. Der Zündzeitpunkt 118 wird langsam auf eine übermäßig nach früh verstellte Anpassung nach früh verstellt und die eingespritzte Kraftstoffmasse 112 langsam erhöht, in Abstimmung mit den langsamen Wechseln der langsamen Motoraktuatoren und der entsprechenden Zeitkonstante, um die Kontinuität der Motorlast während des Wechselns der Einlass- und der Auslassnockenwellen-Phaseneinstellungen im Wesentlichen aufrecht zu erhalten. Die übermäßige Verstellung des Zündzeitpunkts nach früh und die resultierende übermäßige Verstellung der Verbrennungsphaseneinstellung nach früh liefern einen verringerten Betrag des Motordrehmoments pro Kraftstoffeinheit und eine Erhöhung des hörbaren Verbrennungsgeräuschs, um ein ähnliches Motordrehmoment und ein ähnliches Niveau für das hörbare Verbrennungsgeräusch zu liefern, wie es für den Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus 100 vorausgesagt wurde. Die Verbrennungsphaseneinstellung für jeden Zylinder 15 kann einzeln derart gesteuert werden, dass das Drehmoment und das abgegebene hörbare Verbrennungsgeräusch über eine Vielzahl von Betriebsbereichen synchronisiert werden können, z. B. über Motorlasten und Niveaus des hörbaren Verbrennungsgeräusch. Die Verstellung der Verbrennungsphaseneinstellung nach früh liefert daher Bedingungen für einen Wechsel, der Störungen des Drehmoments und des hörbaren Verbrennungsgeräuschs minimiert. Sobald die langsamen Motoraktuatoren (und der abgestimmte Zündzeitpunkt sowie die abgestimmte eingespritzte Kraftstoffmasse) ihre Ziel-Einstellungen erreicht haben, die für ein Wechseln in den HCCI-Verbrennungsmodus geeignet sind, werden die schnellen Motoraktuatoren schnell umgeschaltet. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 schalten die Einlass- und die Auslassventile von den Ventilprofilen (1) mit hohem Hub schnell auf die Ventilprofile (0) mit niedrigem Hub um, um dadurch die Umschaltung von der relativ kleineren PVO der Ventilprofile mit hohem Hub auf die relativ kleinere NVO des Ventilprofils mit niedrigem Hub (im Wesentlichen bei der Nockenphaseneinstellung der HCCI-Grenze bei hoher Last, entsprechend 3) bei derselben Nockenwellen-Phaseneinstellung zu bewirken. Zu derselben Zeit und im Wesentlichen gleichzeitig mit der schnellen Umschaltung der Einlass- und Auslass-Ventilprofile wird die eingespritzte Kraftstoffmasse 112 gemäß der signifikant verringerten Luftströmung, die den Ventilprofilen mit niedrigem Hub entspricht, stufenweise verringert (d. h. schnell umgeschaltet), und das Funkenzündungssystem steuert den Zündzeitpunkt 118 stufenweise (d. h. schnell umgeschaltet) von der übermäßig nach früh verstellten Einstellung zu der endgültigen Einstellung für den HCCI-Verbrennungsmodus, um die Verbrennungsphaseneinstellung zu steuern, um die Kontinuität der Motorlast und des Verbrennungsgeräuschs bei dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile im Wesentlichen aufrecht zu erhalten. Die eingespritzte Kraftstoffmasse und die Funkenzündung für jeden Zylinder können auf diese Weise einzeln gesteuert werden, um das gewünschte Gesamtniveau des Verbrennungsgeräuschs und des Drehmoments für den Motor zu erreichen. Daher arbeitet der Motor anfänglich in dem SI-Verbrennungsmodus mit einer übermäßigen Verstellung des Zündzeitpunkts nach früh in zumindest einem Zylinder, um die Drehmomentabgabe und das hörbare Verbrennungsgeräusch derart zu steuern, dass der anfängliche Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus demjenigen ähnlich ist, der erreicht wird, wenn unmittelbar vor dem schnellen Umschalten der Einlass- und der Auslass-Ventilprofile in dem SI-Verbrennungsmodus gearbeitet wird. Das Steuern der Verbrennungsphaseneinstellung ermöglicht daher einen im Wesentlichen unmittelbaren Wechsel ohne Störungen des Drehmoments und des hörbaren Verbrennungsgeräuschs.
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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.
