DE102011111132B4 - Verfahren zum regeln von verbrennungsmodusübergängen in einem verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor zweistufige variable Hubsteuermechanismen aufweist, die ausgebildet sind, um die Größe eines Ventilhubs von Einlass- und Auslassventilen auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern, die Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und Ventilöffnungspositionen mit hohem Hub umfassen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Wechsel von einem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus angewiesen wird; während des Anweisens des Wechsels ein Schließen mehrerer sekundärer Drosselventile ausgelöst wird, die ausgebildet sind, um eine Einlassluftströmung in mehrere Einlasskanäle stromaufwärts mehrerer Einlassventile zu steuern, und anschließend Positionen der mehreren sekundären Drosselventile eingestellt werden, um eine bevorzugte Luftladung zu erreichen; und anschließend die zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen angewiesen werden, von einer ersten der zwei diskreten Stufen auf eine zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Verbrennungsmodusübergängen in einem Verbrennungsmotor.
  • HINTERGRUND
  • 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 einen Zylinder ein, wenn sich ein Kolben in der Nähe eines oberen Totpunkts (TDC) eines Kompressionstakts befindet, und der eingespritzte Kraftstoff zündet bei der Einspritzung. 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.
  • Eine Motorluftströmung wird unter Verwendung eines Lufteinlasssystems gesteuert, welches ein Drosselventil und Einlassventile sowie Auslassventile aufweist. Bei derart ausgestatteten Systemen 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. Eine Drosselpositionsänderung ist kontinuierlich, während Änderungen der Ventilöffnungsposition von Einlass- und Auslassventilen, die unter Verwendung eines mehrstufigen Ventilhubmechanismus gesteuert werden, diskret sind.
  • 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.
  • Ferner ist beispielsweise aus der US 2008/0 066 715 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, der zweistufige variable Hubsteuermechanismen aufweist, die ausgebildet sind, um die Größe eines Ventilhubs von Einlass- und Auslassventilen auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern. Bei dem Verfahren wird ein Wechsel von einem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus angewiesen, bevor anschließend Positionen mehrerer sekundärer Drosselventile eingestellt werden, um eine bevorzugte Luftladung zu erreichen. Anschließend werden die zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen angewiesen, von einer ersten der zwei diskreten Stufen auf eine zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten.
  • Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei auf die Druckschriften DE 10 2008 042 834 A1 und DE 10 2008 042 835 A1 verwiesen, die sich ebenfalls mit Techniken zum Umschalten von Verbrennungsmodi eines Motors auseinandersetzen.
  • In einem Motor, der ausgebildet ist, um sowohl in dem SI- als auch in dem HCCI-Verbrennungsmodus zu arbeiten, kann ein Wechseln zwischen Verbrennungsmodi komplex sein. Bekannte Motorsteuersysteme stimmen die Aktivierungen mehrerer Einrichtungen ab, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis während des Betriebs in den verschiedenen Modi zu liefern. Während eines Wechsels zwischen einem HCCI-Verbrennungsmodus und einem SI-Verbrennungsmodus tritt ein Umschalten des Ventilhubs nahezu verzögerungsfrei auf, mit einer entsprechenden Auswirkung auf die Einlassluftströmung, während Einstellungen für die Drosselventilöffnung und den Nockenphasensteller eine langsamere Dynamik mit langsameren entsprechenden Auswirkungen auf Einlasskrümmerdruck und Luftströmung aufweisen. Es ist bekannt, dass eine unvollständige Verbrennung und eine Fehlzündung, die zu Drehmomentstörungen führen können, während eines Wechsels auftreten können, was an einem unvollständigen Verständnis der Einlassluftströmungsdynamik und einer entsprechenden Unfähigkeit liegt, die Kraftstoffzufuhr und das Luft/Kraftstoffverhältnis effektiv zu steuern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Problematik wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche begegnet.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Verbrennungsmotor umfasst zweistufige variable Hubsteuermechanismen, die ausgebildet sind, um die Größe eines Ventilshubs von Einlass- und Auslassventilen auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern, die Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und Ventilöffnungspositionen mit hohem Hub umfassen. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors umfasst, dass ein Wechsel von einem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus angewiesen wird. Während des Anweisens des Wechsels wird ein Schließen mehrerer sekundärer Drosselventile ausgelöst, die ausgebildet sind, um eine Einlassluftströmung zu mehreren Einlasskanälen stromaufwärts mehrerer Einlassventile zu steuern. Positionen der mehreren sekundären Drosselventile werden anschließend eingestellt, um eine bevorzugte Luftladung zu erreichen. Die zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen werden anschließend angewiesen, von einer ersten der zwei diskreten Stufen auf eine zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und eines begleitenden Steuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Steuerschema in Flussdiagrammform zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors schematisch darstellt, um Wechsel zwischen einem ersten und einem zweiten Verbrennungsmodus zu bewirken; und
  • 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung Parameter graphisch darstellt, die dem Betrieb eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines Steuerschemas zugeordnet sind, um Wechsel zwischen einem ersten und einem zweiten Verbrennungsmodus zu bewirken.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, 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 ausgebildet, um in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Verbrennungsmodus) und in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) zu arbeiten. Der Motor 10 arbeitet bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis und bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist. 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 und in ein Drehmoment übersetzt wird.
  • Ein Lufteinlasssystem ist ausgebildet, um Einlassluft zu Einlassventilen 20 zu leiten, die eine Strömung zu den einzelnen Zylindern 15 steuern. Das Lufteinlasssystem weist ein primäres Drosselventil 34 auf, das sich stromaufwärts eines Einlasskrümmers 29 befindet. Der Einlasskrümmer 29 umfasst ein Plenum 41, das die Luft in Einlasskanäle 43 leitet und verteilt, die einzelnen der Einlassventile 20 entsprechen, um die Strömung von Gasen in die Verbrennungskammern 16 zu leiten. Jeder der Einlasskanäle 43 ist mit einem sekundären Drosselventil 44 ausgestattet. Alternativ kann ein einzelnes sekundäres Drosselventil 44 in dem Plenum 41 des Einlasskrümmers 29 des stromaufwärts der Einlasskanäle 43 angeordnet sein. Das Lufteinlasssystem weist ein Luftströmungs-Kanalsystem und Einrichtungen auf, um die Luftströmung zu überwachen und zu steuern. Die Lufteinlasseinrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassenströmungssensor 32, der ein Ausgangssignal 63 erzeugt, das die Luftmassenströmung in den Einlasskrümmer 29 angibt. Das Ausgangssignal 63 kann auch eine Information umfassen, welche die Einlasslufttemperatur angibt. Ein Drucksensor 36 in dem Einlasskrümmer 29 erzeugt ein Ausgangssignal 64, das dem Krümmerabsolutdruck entspricht. Das Ausgangssignal 64 kann unter bestimmten Bedingungen als ein Indikator des barometrischen Drucks verwendet werden. Ein äußerer Strömungsdurchgang führt Abgase von einem Auslasskrümmer 39 zu dem Einlasskrümmer 29 zurück und weist ein Strömungssteuerventil auf, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 38 bezeichnet wird. Das primäre Drosselventil 34 und die sekundären Drosselventile 44 sind elektronisch gesteuerte Einrichtungen, die verwendet werden, um die Luftströmung zu den Einlassventilen 20 in Ansprechen auf Steuersignale 52 bzw. 59 zu steuern, die von dem Steuermodul 5 stammen. Ein erster Drosselpositionssensor überwacht eine Öffnungsposition des primären Drosselventils 34 und erzeugt ein Ausgangssignal 66, das die Drosselöffnungsposition angibt, vorzugsweise in Einheiten von Prozent der weit offenen Drossel. Ein zweiter Drosselpositionssensor überwacht die Öffnungspositionen der sekundären Drosselventile 44 und erzeugt ein Ausgangssignal 67, das die Öffnungsposition angibt, vorzugsweise in Einheiten von Prozent der weit offenen Drossel.
  • Das Steuermodul 5 dient dazu, die Massenströmung des Abgases zu dem Einlasskrümmer 29 zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils 38 unter Verwendung eines Steuersignals 53 gesteuert wird.
  • Das bzw. die Einlassventil(e) 20 steuert bzw. steuern die Luftströmung in die Verbrennungskammer 16. Das bzw. die Auslassventil(e) 18 steuert bzw. steuern die Abgase aus der Verbrennungskammer 16 in den Auslasskrümmer 39. 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. Das Steuermodul 5 erzeugt Steuersignale 54, 55 und 57, 58, um die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 in Verbindung mit Drehungen einer Einlassnockenwelle 21 und einer Auslassnockenwelle 23 zu steuern, wie nachstehend beschrieben ist. 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- 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 in Ansprechen auf die Steuersignale 54 bzw. 57 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 auf, um die Phaseneinstellung (d. h. die relative Zeiteinstellung) des Öffnens und Schließens des Einlassventils (der Einlassventile) 20 bzw. des Auslassventils (der Auslassventile) 18 in Ansprechen auf die Steuersignale 55 bzw. 58 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 Mechanismen zur variablen Nockenphaseneinstellung 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. Das Steuersignal 54 weist die Einlass-VCP/VLC-Einrichtung 22 an, den Ventilhub des Einlassventils bzw. der Einlassventile 20 auf eine der zwei diskreten Stufen zu steuern. Das Steuersignal 55 weist die Einlass-VCP/VLC-Einrichtung 22 an, die Phaseneinstellung der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 variabel einzustellen und zu steuern. Das Steuersignal 57 weist die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 24 an, den Ventilhub des Auslassventils bzw. der Auslassventile 18 auf eine der zwei diskreten Stufen zu steuern. Das Steuersignal 58 weist die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 24 an, die Phaseneinstellung der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder 15 variabel einzustellen und zu steuern.
  • 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 51 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 56 von dem Steuermodul 5 zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen.
  • Der Motor 10 ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs ausgestattet, die einen Kurbelsensor 42 mit der Ausgabe eines Ausgangssignals 61 umfassen, das die Kurbelwellen-Drehposition angibt, die verwendet werden kann, um den Motorkurbelwinkel und die Motordrehzahl zu überwachen. Ein Verbrennungssensor 30 ist ausgebildet, um die Verbrennung in dem Zylinder zu überwachen und ein Ausgangssignal 62 zu erzeugen, das einen Verbrennungszustand angibt, z. B. einen Druck. Ein Abgassensor 40 ist ausgebildet, um einen Abgaszustrom zu überwachen und ein Ausgangssignal 65 zu erzeugen, das einen zugeordneten Parameter angibt, z. B. das Luft/Kraftstoffverhältnis. Die Signale 61 und 62, die von dem Kurbelsensor 42 bzw. dem Verbrennungssensor 30 ausgegeben werden, werden durch das Steuermodul 5 überwacht, um die Verbrennungsphaseneinstellung zu ermitteln, d. h. den zeitlichen Verlauf der Verbrennung 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. Die Signalausgabe 62 des Verbrennungssensors 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 Zustände anderer 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 geeignete 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 5 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 erwähnten Sensoren, um Motorparameter zu überwachen. Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingabesignale von einem Bediener zu empfangen (z. B. mittels eines Gaspedals und eines Bremspedals), um eine Drehmomentanforderung eines Bedieners 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 Erzeugen der Steuersignale 66 und 67 zum Steuern der primären und der sekundären Drosselpositionen, des Steuersignals 56 für den Funkenzündungszeitpunkt, des Steuersignals 61 für die Masse und die Zeiteinstellung der Kraftstoffeinspritzung, des Steuersignals 53 für das AGR-Ventil 38, um die Strömung zurückgeführter Abgase zu steuern, und der Steuersignale 54, 55, 57 und 58 für die Zeiteinstellung sowie den Hub der Einlass- bzw. der Auslassventile umfasst. 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 durch das Eingangssignal 65 des Abgassensors 40 steuern.
  • Während des Motorbetriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus sind sowohl das primäre Drosselventil 34 als auch das sekundäre Drosselventil 44 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 befinden sich auf der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub, und die Zeiteinstellung des Einlass- und des Auslasshubs arbeitet mit NVO. Die im Wesentlichen weit offene Drossel kann umfassen, dass das primäre Drosselventil 34 völlig ungedrosselt oder leicht gedrosselt betrieben wird, 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, was zumindest eine Einspritzung während einer Kompressionsphase umfasst.
  • Während des Motorbetriebs in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus) ist das sekundäre Drosselventil 44 weit offen, und das primäre Drosselventil 34 wird 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 auf den Ventilöffnungspositionen mit hohem Hub, und die Zeiteinstellung des Einlass- und des Auslasshubs arbeitet mit einer positiven Ventilüberlappung. Ein Kraftstoffeinspritzungsereignis wird vorzugsweise während einer Kompressionsphase eines Motorzyklus ausgeführt, vorzugsweise wesentlich 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 Motorbetriebsweise bewirken, die verursachen kann, dass das Steuermodul 5 eine Änderung in dem bevorzugten Verbrennungsmodus anweist.
  • 2 stellt ein Steuerschema 200 in Flussdiagrammform dar, das in dem Steuermodul 5 ausgeführt wird, um den Betrieb des Verbrennungsmotors 10 zu steuern, der unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, um Wechsel zwischen einem ersten und einem zweiten Verbrennungsmodus zu bewirken. Dies umfasst, dass ein Wechsel von dem HCCI-Verbrennungsmodus in den SI-Verbrennungsmodus bewirkt wird und dass ein Wechsel von dem SI-Verbrennungsmodus in den HCCI-Verbrennungsmodus bewirkt wird.
  • Das Steuerschema 200 umfasst regelmäßige und fortlaufende Überwachungseingaben von den zuvor erwähnten Sensoren, um Zustände von Motorparametern zu ermitteln, welche die Drehmomentanforderung des Bedieners umfassen. Dies umfasst, dass die Sensoren überwacht werden, welche die Motordrehzahl und die Einlasslufttemperatur sowie die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben (205). Dies umfasst, dass ermittelt wird, ob der Verbrennungsmotor 10 momentan in dem HCCI-Verbrennungsmodus oder in dem SI-Verbrennungsmodus arbeitet (210).
  • Wenn der Verbrennungsmotor 10 in dem SI-Verbrennungsmodus arbeitet, wird der Motorbetrieb überwacht, um zu ermitteln, ob eine Anweisung vorliegt, zu dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus zu wechseln (212). Eine Anweisung zum Wechseln zu dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus kann auf einer Änderung in einem Motorbetriebspunkt, der einer Drehmomentanforderung eines Bedieners zugeordnet ist, oder auf einer anderen Änderung in dem Betrieb basieren. Wenn eine Anweisung vorliegt, zu dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus zu wechseln, wird ein erster Befehl mittels des Steuersignals 52 ausgeführt, um die primäre Drossel 34 zu öffnen, und gleichzeitig wird ein zweiter Befehl mittels des Steuersignals 59 ausgeführt, um die sekundären Drosselventile 44 zu schließen, um die Luftströmung durch die Einlassventile 20 zu beschränken (214). Die Öffnungen der sekundären Drosselventile 44 werden anschließend eingestellt, um eine bevorzugte oder gewünschte Luftladung in den Verbrennungskammern 16 zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Luftströmung zu den Verbrennungskammern 16 angegeben wird (216). Die gewünschte Luftladung ist mit der Drehmomentanforderung des Bedieners verbunden. Eine gewünschte Kraftstoffzufuhr für die Zylinderladung wird in Ansprechen auf die Drehmomentanforderung des Bedieners ermittelt. Die gewünschte Kraftstoffzufuhr und die Motordrehzahl werden mit einem bevorzugten Luft/Kraftstoffverhältnis kombiniert, um die gewünschte Luftladung in jeder Verbrennungskammer 16 zu berechnen. Der Druck in dem Einlasskrümmer wird überwacht (218), vorzugsweise unter Verwendung der Signalausgabe 64 des Drucksensors 36, die den Krümmerabsolutdruck angibt, der mit einem minimalen Schwellenwert verglichen wird (218). Wenn der Einlasskrümmerdruck größer als der minimale Schwellenwert ist, wird ermittelt, dass sich der Motor 10 in Betriebsbedingungen befindet, die einen Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus zulassen. Das Überleiten zu dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus umfasst, dass die Einlass- und Auslassventile 20 und 18 umgeschaltet werden, um bei der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub zu arbeiten, dass die Zeiteinstellung des Steuersignals 56 zum Liefern der Zündfunkenenergie an die Zündkerze 26 auf einen Zustand angepasst wird, der dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entspricht, und dass die Zeiteinstellung des Steuersignals 51 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung auf eine Zeiteinstellung der Einspritzung angepasst wird, die dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entspricht (220). Die Motorbetriebszustände, die dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entsprechen, sind bekannt.
  • Wenn der Verbrennungsmotor 10 in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, wird der Motorbetrieb überwacht, um zu ermitteln, ob eine Anweisung zum Wechseln zu dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus vorliegt (222). Wenn eine Anweisung zum Wechseln zu dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus vorliegt, wird ein erster Befehl mittels des Steuersignals 52 ausgeführt, um die primäre Drossel 34 zu schließen, und gleichzeitig wird ein zweiter Befehl mittels des Steuersignals 59 ausgeführt, um die sekundären Drosselventile 44 zu schließen, um die Luftströmung durch die Einlassventile 20 zu beschränken. Gleichzeitig werden die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 angewiesen, bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub zu arbeiten. Gleichzeitig werden die Zeiteinstellung des Steuersignals 56 zum Liefern der Zündfunkenenergie an die Zündkerze 26 und die Zeiteinstellung des Steuersignals 51 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung auf Zustände gesteuert, die dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen (224). Die Öffnungen der sekundären Drosselventile 44 werden anschließend eingestellt, um eine bevorzugte oder gewünschte Luftladung in den Verbrennungskammern 16 zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Luftströmung zu den Verbrennungskammern 16 angegeben wird (226). Der Wechsel ist abgeschlossen, wenn die sekundären Drosselventile 44 einen vollständig geöffneten Zustand erreicht haben (228). Es ist einzusehen, dass die Betriebszustände, die dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen, bekannt sind.
  • 3 stellt graphisch Parameter dar, die dem Betrieb des Verbrennungsmotors 10, der unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, unter Verwendung des Steuerschemas 200 zugeordnet sind, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, um Wechsel zwischen einem ersten und einem zweiten Verbrennungsmodus zu bewirken. Die dargestellten Parameter, die dem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 zugeordnet sind, werden vorzugsweise unter Verwendung eines bekannten Luftströmungs-Simulationsmodells simuliert. Die Parameter umfassen das Ausgangssignal 64, das dem Krümmerabsolutdruck entspricht, das Steuersignal 52, das dem primären Drosselventil 34 die Öffnungsposition anweist, vorzugsweise in Einheiten von Prozent der weit offenen Drossel, das Steuersignal 59, das den sekundären Drosselventilen 44 die Öffnungsposition anweist, vorzugsweise in Einheiten von Prozent der weit offenen Drossel, das Ausgangssignal 63, das die Luftmassenströmung in den Einlasskrümmer 29 angibt, und Ausgangsdaten 69, die eine geschätzte oder vorausgesagte Luftmassenströmung in die Einlasskanäle 43 angeben, die den einzelnen der Einlassventile 20 entsprechen. Die Zustände der zuvor erwähnten Parameter sind über der verstrichenen Zeit 105 aufgetragen, die in Einheiten von Sekunden vorliegt.
  • Es wir dein Befehl ausgeführt, von dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus in den Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus umzuschalten (110). Gleichzeitig werden die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 angewiesen, bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub zu arbeiten, das Steuersignal 52 weist das Schließen der primären Drossel 34 an, und das Steuersignal 59 weist das Schließen der sekundären Drosselventile 44 an. Gleichzeitig werden die Einlass- und die Auslassventile 20 und 18 angewiesen, bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub zu arbeiten. Gleichzeitig werden das Steuersignal 56 zum Liefern der Zündfunkenenergie an die Zündkerze 26 und das Steuersignal 51 zum Steuern der Zeiteinstellung und der Pulsweite der Kraftstoffeinspritzung auf Zustände gesteuert, die dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus entsprechen (120).
  • Während des nachfolgenden Betriebs wird das Steuersignal 52 für die primäre Drossel 34 eingestellt, um einen Krümmerabsolutdruck zu erreichen, der dem Betrieb des Motors 10 in dem SI-Verbrennungsmodus zugeordnet ist, und das Steuersignal 59 für die sekundären Drosselventile 44 wird eingestellt, um eine Luftmassenströmung zu den Zylindern zu erreichen, die dem Betrieb des Motors 10 in dem SI-Verbrennungsmodus zugeordnet ist. Wie durch das Ausgangssignal 63, das die Luftmassenströmung in den Einlasskrümmer 29 angibt, und durch die Ausgangsdaten 69 angegeben wird, welche die vorausgesagte Luftmassenströmung in die Einlasskanäle 43 angeben, bleibt die Luftmassenströmung in die Einlasskanäle 43 während dieses Wechsels relativ stabil.
  • Wenn eine Anweisung vorliegt, von dem Betrieb in dem SI-Verbrennungsmodus zu dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus zu wechseln (130), öffnet ein erster Befehl mittels des Steuersignals 52 die primäre Drossel 34, und gleichzeitig wird ein zweiter Befehl mittels des Steuersignals 59 ausgeführt, um die sekundären Drosselventile 44 zu schließen. Die Öffnungen der sekundären Drosselventile 44 werden anschließend eingestellt, um eine bevorzugte oder gewünschte Luftladung in den Verbrennungskammern 16 zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Luftströmung zu den Verbrennungskammern 16 angegeben wird. Der Krümmerabsolutdruck wird überwacht, vorzugsweise unter Verwendung der Signalausgabe 64 des Drucksensors 36, und er wird mit einem minimalen Schwellenwert verglichen. Wenn der Krümmerabsolutdruck größer als der minimale Schwellenwert ist, wird ermittelt, dass sich der Motor in einem Betriebszustand befindet, der den Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus ermöglicht. Der Motor wird angewiesen, in den Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus umzuschalten (140), was umfasst, dass die Einlass- und Auslassventile 20 und 18 umgeschaltet werden, um bei der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub zu arbeiten, dass die Zeiteinstellung des Steuersignals 56 zum Liefern der Zündfunkenenergie an die Zündkerze 26 auf einen Zustand eingestellt wird, der dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entspricht, und dass die Zeiteinstellung des Steuersignals 51 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung auf einen Zustand eingestellt wird, der dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entspricht. Es ist einzusehen, dass die Betriebszustände, die dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus entsprechen, bekannt sind.
  • Wie durch das Steuersignal 63, das die Luftmassenströmung in den Einlasskrümmer 29 angibt, und die Ausgangsdaten 69 angegeben wird, welche die vorausgesagte Luftmassenströmung durch die Einlasskanäle 43 angeben, bleibt die Luftmassenströmung in die Einlasskanäle 43 relativ stabil, während die Luftmassenströmung durch das primäre Drosselventil 34 variiert.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor zweistufige variable Hubsteuermechanismen aufweist, die ausgebildet sind, um die Größe eines Ventilhubs von Einlass- und Auslassventilen auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern, die Ventilöffnungspositionen mit niedrigem Hub und Ventilöffnungspositionen mit hohem Hub umfassen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Wechsel von einem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus angewiesen wird; während des Anweisens des Wechsels ein Schließen mehrerer sekundärer Drosselventile ausgelöst wird, die ausgebildet sind, um eine Einlassluftströmung in mehrere Einlasskanäle stromaufwärts mehrerer Einlassventile zu steuern, und anschließend Positionen der mehreren sekundären Drosselventile eingestellt werden, um eine bevorzugte Luftladung zu erreichen; und anschließend die zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen angewiesen werden, von einer ersten der zwei diskreten Stufen auf eine zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anweisen des Wechsels von dem ersten Verbrennungsmodus in den zweiten Verbrennungsmodus umfasst, dass ein Wechsel von einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung in einen Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung angewiesen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das umfasst, dass ein primäres Drosselventil, das in einem Einlassplenum stromaufwärts der, mehreren sekundären Drosselventile angeordnet ist, gleichzeitig mit dem Auslösen des Schließens der mehreren sekundären Drosselventile geöffnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Anweisen der zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen, von der ersten der zwei diskreten Stufen auf die zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten, umfasst, dass: ein Luftdruck in dem Einlassplenum überwacht wird; und der zweistufige variable Hubsteuermechanismus angewiesen wird, von der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub in die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub umzuschalten, wenn der Luftdruck in dem Einlassplenum größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass eine Zeiteinstellung einer Kraftstoffeinspritzung und ein Zündzeitpunkt auf Zustande übergeleitet werden, die dem Betrieb in dem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung entsprechen, nachdem der zweistufige variable Hubsteuermechanismus angewiesen wurde, von der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub auf die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub umzuschalten.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anweisen des Wechsels von dem ersten Verbrennungsmodus in den zweiten Verbrennungsmodus umfasst, dass ein Wechsel von dem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung in den Verbrennungsmodus mit Funkenzündung angewiesen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass ein primäres Drosselventil, das in einem Einlassplenum stromaufwärts der mehreren sekundären Drosselventile angeordnet ist, gleichzeitig mit dem Auslösen des Schließens der mehreren sekundären Drosselventile geschlossen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anweisen der zweistufigen variablen Hubsteuermechanismen, von einer ersten der zwei diskreten Stufen auf eine zweite der zwei diskreten Stufen umzuschalten, umfasst, dass der zweistufige variable Hubsteuermechanismus angewiesen wird, gleichzeitig mit dem angewiesenen Wechsel von dem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung in den Verbrennungsmodus mit Funkenzündung von der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub auf die Ventilöffnungsposition mit hohem Hub umzuschalten.
  9. Verfahren zum Bewirken eines Wechsels von einem ersten Verbrennungsmodus in einen zweiten Verbrennungsmodus in einem Verbrennungsmotor, der Reihe nach umfassend, dass: mehrere sekundäre Drosselventile geschlossen werden, die ausgebildet sind, um eine Einlassluftströmung zu mehreren Kanälen stromaufwärts mehrerer Einlassventile zu steuern; Positionen der mehreren sekundären Drosselventile eingestellt werden, um eine bevorzugte Luftladung zu erreichen; und ein zweistufiger variabler Hubsteuermechanismus angewiesen wird, von einer ersten diskreten Stufe auf eine zweite diskrete Stufe umzuschalten.
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