DE102012211928A1

DE102012211928A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen Motorbetrieb mit homogener Kompressionszündung und Funkenzündung

Info

Publication number: DE102012211928A1
Application number: DE102012211928A
Authority: DE
Inventors: Hanho Yun; Nicole Wermuth; Paul M. Najt; Jun-Mo Kang; Barry L. Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102877958B; CN102877958A; US9074551B2; DE102012211928B4; US20130018565A1

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfasst, dass der Motor in einem Modus mit homogener Kompressionszündung gesteuert wird und dass in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich des Motors sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile mit einem Profil mit hohem Hub oder mit einem Profil mit niedrigem Hub betrieben werden oder die Auslassventile mit einem Profil mit niedrigem Hub und die Einlassventile mit einem Profil mit hohem Hub betrieben werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Steuerung eines Verbrennungsmotors.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung dar. Dementsprechend sollen solche Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
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.
Eine Motorluftströmung kann gesteuert werden, indem die Position des Drosselventils selektiv angepasst wird und das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen gesteuert wird. Bei Motorsystemen, die damit ausgestattet sind, kann das Öffnen und Schließen der Einlassventile und der Auslassventile unter Verwendung eines Systems zur variablen Ventilbetätigung eingestellt werden, das eine variable Nockenphaseneinstellung und einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub umfasst, z. B. mehrstufige Nocken, die zwei oder mehr Ventilhubpositionen liefern. Im Gegensatz zu der Drosselpositionsänderung ist die Änderung der Ventilposition des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine diskrete Änderung und erfolgt nicht kontinuierlich.
Wenn ein Motor in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, arbeitet der Motor bei einem Betrieb mit magerem oder stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis mit weit offener Drossel, 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. Der 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.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfasst, dass der Motor in einem Modus mit homogener Kompressionszündung gesteuert wird. Wenn der Motor in einem niedrigen Betriebsbereich arbeitet, wird der Motor mit einer Ventilstrategie mit niedrigem Hub gesteuert, wenn der Motor in einem hohen Betriebsbereich arbeitet, wird der Motor mit einer Ventilstrategie mit hohem Hub gesteuert, und wenn der Motor in einem mittleren Betriebsbereich zwischen dem niedrigen Betriebsbereich und dem hohen Betriebsbereich arbeitet, wird der Motor mit einer Ventilstrategie mit gemischtem Hub gesteuert. Die Ventilstrategie mit niedrigem Hub umfasst ein Profil mit niedrigem Hub für ein Auslassventil und ein Einlassventil sowie eine negative Ventilüberlappung des Einlass- und des Auslassventils. Die Ventilstrategie mit hohem Hub umfasst ein Profil mit hohem Hub für das Auslassventil und das Einlassventil sowie eine positive Überlappung des Einlass- und des Auslassventils. Die Ventilstrategie mit gemischtem Hub umfasst das Profil mit niedrigem Hub für das Auslassventil und das Profil mit hohem Hub für das Einlassventil.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine Schnittansicht eines Verbrennungsmotors und eine schematische Zeichnung eines begleitenden Steuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2-1, 2-2 und 2-3 beispielhafte Zeitsteuerungsschemata von Auslass- und Einlassventilen für einen Betrieb mit HCCI-Verbrennung in einem niedrigen, mittleren bzw. hohen Betriebsbereich gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen;
3 einen spezifischen Netto-Kraftstoffverbrauch gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, der gegen den NMEP aufgetragen ist, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen, mittleren und hohen Betriebsbereich arbeitet;
4 einen Klingelindex gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, der gegen den NMEP aufgetragen ist, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen, dem mittleren und dem hohen Betriebsbereich arbeitet; und
5 eine Ventilzeitsteuerung, die gegen den NMEP aufgetragen ist, für das Öffnen des Einlassventils und das Schließen des Auslassventils darstellt, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen, mittleren und hohen Betriebsbereich arbeitet; und
6 einen Prozess gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, durch den ein Betriebsbereich ermittelt und verwendet werden kann, um Ventilhubeinstellungen während des Betriebs mit HCCI-Verbrennung zu steuern.
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 der Offenbarung konstruiert wurden. Der Motor 10 ist in mehreren Verbrennungsmodi selektiv betriebsfähig, die einen HCCI-Verbrennungsmodus und einen homogenen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (homogenen 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 Kolben 14 sind zwischen einer obersten Position am oberen Totpunkt (TDC) und einer untersten Position am unteren Totpunkt (BDC) verschiebbar, 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 einen 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 Auslasskrümmer 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 mittels eines Steuersignals 168 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 Schließen der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 zu steuern und einzustellen. Bei einer Ausführungsform kann das Öffnen und Schließen der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 gesteuert und eingestellt werden, indem eine Einlass- und eine Auslasseinrichtung 22 bzw. 24 für eine variable Nockenphaseneinstellung/variable Hubsteuerung (VCP/VLC-Einrichtung) gesteuert werden. Die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 sind ausgebildet, um eine Einlassnockenwelle 21 bzw. eine Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betreiben. Die Drehungen der Einlass- und der Auslassnockenwelle 21 und 23 sind mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verknüpft und mit dieser indiziert, wodurch das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 mit den Positionen der Kurbelwelle 12 und der Kolben 14 verbunden ist.
Die Einlass-VCP/VLC-Einrichtung 22 umfasst vorzugsweise einen Mechanismus, der dazu dient, in Ansprechen auf ein Steuersignal 160 bzw. 162 von dem Steuermodul 5 den Ventilhub (VLC) des Einlassventils bzw. der Einlassventile 20 umzuschalten und zu steuern sowie eine Phaseneinstellung (VCP) der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 variabel anzupassen und zu steuern. Bei einer Ausführungsform umfasst die VLC eine zweistufige Ventilhubsteuerung. Die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 24 umfasst vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, der dazu dient, in Ansprechen auf ein Steuersignal 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 für jeden Zylinder 15 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, den maximalen Ventilhub oder die maximale Öffnung 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 entsprechen einem Profil mit niedrigem Hub und einer maximalen Ventilöffnungsposition (ungefähr 4–6 mm bei einer Ausführungsform) vorzugsweise für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und niedriger Last sowie einem Profil mit hohem Hub und einer maximalen Ventilöffnungsposition (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/Schließzeiten 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 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 186 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 176 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 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, um die Verbrennungsphaseneinstellung zu ermitteln, d. h. den zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks relativ zu dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 12 für jeden Zylinder 15 für jeden Verbrennungszyklus. 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 Zustände anderer Verbrennungsparameter zu überwachen, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion, Sensoren für Abgasanteile und nicht eingreifende Zylinderdrucksensoren.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine 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. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Ausdrücke bedeuten beliebige durch einen Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen umfassen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Routinen 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 Routinen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden.
Das Steuermodul 5 überwacht 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.
Das Steuermodul 5 führt darin gespeicherte Routinen 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. Der Zeitpunkt und die Phaseneinstellung der Ventile können bei einer Ausführungsform eine negative Ventilüberlappung (NVO) und einen Hub einer Auslassventil-Wiederöffnung umfassen (bei einer Abgas-Rückatmungsstrategie). Bei einer anderen Ausführungsform kann das Steuermodul 5 den Zeitpunkt und die Phaseneinstellung der Ventile in einer Strategie mit positiver Ventilüberlappung (PVO) mit einer Strategie des späten Schließens des Einlassventils (LIVC) betreiben. 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 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 beispielhaftes 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 Öffnungszeitpunkt und die Profile des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 zu steuern. Der Betrieb in den zwei Verbrennungsmodi erfordert unterschiedliche Einstellungen für die Einlass- und die Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22 und 24 bezogen auf die zeitliche Ventilsteuerung und die Profile des Einlass- und des Auslassventils bzw. der Einlass- und der Auslassventile 20 und 18 sowie unterschiedliche Einstellungen des Drosselventils 34 für die Drosselposition.
Das Steuermodul 5 wandelt eine Reihe von Soll-Motorparametern in Steuerzustände für Aktuatoren um, denen die Motorparameter als Ausgaben zugeordnet sind. 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 erfolgt, indem die Position des AGR-Ventils 38 gesteuert wird, wodurch die Einlassluftströmung gesteuert wird. Wenn das AGR-Ventil 38 weiter öffnet, kann mehr AGR-Gas in die Einlassluftströmung eintreten, wodurch die Menge an O₂ begrenzt wird, die für die Verbrennung verfügbar ist.
Das Soll-AFR wird gesteuert, indem die MAF modifiziert wird, die gesteuert werden kann, indem die Ventilzeitsteuerung angepasst wird, die für die HCCI-Verbrennung mit NVO und für die SI-Verbrennung mit LIVC betrieben wird. Indem das Einlassventil 20 während des Einlasstakts für längere Zeitdauern offen gehalten wird, ist mehr Luft für die Verbrennungsladung verfügbar. Es kann anschließend ein Kraftstoffmassenparameter ermittelt werden, um das Soll-AFR zu erreichen. Der MAP wird gesteuert, indem das Drosselventil 34 betätigt wird. Das Öffnen des Drosselventils 34 erhöht den Betrag des Luftdrucks in dem Einlasskrümmer, wobei eine weit offene Drossel (WOT) die am weitesten 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 und in dem SI-Verbrennungsmodus durch den Zündfunkenzeitpunkt gesteuert. Die Steuerung des CA50 ermöglicht, dass eine korrekte Motorlast basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen erreicht wird.
Es ist bekannt, dass bestimmte Motoraktuatoren ein schnelles dynamisches Ansprechen aufweisen (bekannt als schnelle Motoraktuatoren) und dass diese eine neu angewiesene Ausgabe innerhalb eines einzigen Motorzyklus oder Zylinderereignisses einstellen können. Die schnellen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 28, das Funkenzündungssystem, das Zündungsenergie an die Zündkerze 26 liefert, und den VLC-Teil 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 (und als langsame Motoraktuatoren bekannt), und sie benötigen aufgrund von Komponententrägheiten, mechanischen Ansprechzeiten und Luftströmungsverzögerungen mehrere Motorzyklen oder Zylinderereignisse, um eine neu angewiesene Ausgabe einzustellen. Die langsamen Motoraktuatoren umfassen beispielsweise die AGR-Ventilposition, die Drosselposition und die Ventilphaseneinstellung, wie sie durch die Einlass- und Auslass-VCP/VLC-Einrichtung 22, 24 gesteuert wird. Ein mittlerer Ventilbetriebsmodus oder mittlerer Betriebsbereich kann verwendet werden, um den Übergang während der HCCI-Verbrennung und zu der SI-Verbrennung zu glätten, indem den langsamen Motoraktuatoren Zeit gegeben wird, um auf die neuen Betriebsbedingungen der SI-Verbrennung zu reagieren.
Während des Motorbetriebs in dem SI-Verbrennungsmodus wird das Drosselventil 34 gesteuert, um den Krümmerluftdruck zu regeln. Das AGR-Ventil 38 wird gesteuert, um die Menge an Sauerstoff in dem Luftstrom zu regeln. Der Motor 10 wird auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert, und sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile 20 und 18 werden mit Profilen mit hohem Hub (d. h. mit der Ventilstrategie mit hohem Hub) mit einer positiven Ventilüberlappung betrieben. Das LIVC-Ventilsteuerschema kann verwendet werden, wobei das LIVC mit einem hohen Einlasskrümmerdruck betrieben wird. Die Verbrennungsphaseneinstellung kann ferner durch den Zündfunkenzeitpunkt gesteuert werden. Die Luftströmung wird hauptsächlich durch die Einlass-Nockenphaseneinstellung gesteuert. Vorzugsweise wird ein Kraftstoffeinspritzungsereignis während der Kompressionsphase eines Motorzyklus ausgeführt, bevor wesentlich vor dem TDC. Die Funkenzündung wird vorzugsweise zu einer vorbestimmten Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung entladen, wenn die Zylinderinhalte im Wesentlichen homogen sind.
Während des Motorbetriebs in dem HCCI-Verbrennungsmodus ist das Drosselventil 34 im Wesentlichen weit offen, wobei der Motor 10 bei einem mageren oder stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird. Sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile 20 und 18 werden mit Profilen mit niedrigem Hub betrieben (d. h. mit der Ventilstrategie mit niedrigem Hub), und die zeitliche Steuerung des Einlass- und des Auslasshubs arbeitet mit NVO. Die Verbrennungsphaseneinstellung kann ferner durch den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt und durch den Zündfunkenzeitpunkt 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 Menge an Sauerstoff, die in dem Einlassluftstrom 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.
Der Betrieb in dem HCCI-Modus, bei dem die Verbrennung basierend auf der Kompression der Ladung bis zu einem Punkt einer im Wesentlichen einheitlichen Verbrennung über die gesamte Verbrennungskammer hinweg auftritt, hängt stark von den Bedingungen in der Verbrennungskammer ab. Wenn keine ausreichende Wärme oder kein ausreichender Druck in der Verbrennungskammer vorhanden ist, kann die Ladung nicht zünden oder fehlzünden, was zu einer instabilen Verbrennung oder einem Abfallen in der Effizienz der Verbrennung führt. Wenn übermäßige Wärme oder ein übermäßiger Druck in der Verbrennungskammer vorhanden ist, kann die Ladung vor dem beabsichtigten Start der Verbrennung verbrennen, was zu einer ungeordneten Verbrennung oder zu einem Klingeln in dem Zylinder führt.
Der Ventilhub kann eingestellt werden, um die Wärme oder den Druck zu steuern, die bzw. der in der Verbrennungskammer vorhanden ist. Bei niedrigen Motorlasten und Motordrehzahlen oder an einem Motorarbeitspunkt in einem niedrigen Betriebsbereich, an dem weniger Wärme und ein geringerer Druck in der Verbrennungskammer vorhanden sind, können Profile mit niedrigem Hub für das Auslass- und das Einlassventil verwendet werden. Ein solcher Betrieb verringert die kalte Einlassluft, die in den Zylinder eingelassen wird, und verbessert die Möglichkeit, die NVO zum Komprimieren der Ladung in der Nähe des TDC zu verwenden, wodurch in dem niedrigen Betriebsbereich (d. h. bei niedrigen Motorlasten und Motordrehzahlen) die Möglichkeit für Fehlzündungen verringert wird und die Verbrennungsstabilität verbessert wird. Bei höheren Motorlasten und Motordrehzahlen oder an einem Motorarbeitspunkt in einem hohen Betriebsbereich kann der Betrieb des Auslass- und des Einlassventils mit Profilen mit niedrigem Hub dazu führen, dass übermäßige Wärme oder ein übermäßiger Druck in der Verbrennungskammer vorhanden sind und dass das entsprechende Klingeln in dem Zylinder auftritt. Das Ausdehnen des Betriebs eines Motors in dem HCCI-Modus in diesen hohen Betriebsbereich (d. h. bei höheren Motorlasten und Motordrehzahlen) kann erreicht werden, indem das Auslass- und das Einlassventil mit Profilen mit hohem Hub betrieben werden. Indem sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil mit Profilen mit hohem Hub betrieben werden, wird die NVO verringert, oder es wird eine PVO erzeugt, die Kompression am TDC wird verringert und es wird zusätzliche kalte Einlassluft in den Zylinder eingelassen.
Eine obere Grenze des Betriebs für die HCCI-Verbrennung, bei dem sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil mit einem Profil mit niedrigem Hub betrieben wird, kann in der Nähe oder unterhalb der unteren Grenze eines Betriebs für die HCCI-Verbrennung liegen, bei dem sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil mit einem Profil mit hohem Hub betrieben wird. Infolge dessen kann der Betrieb in dem HCCI-Modus an dem Übergang zwischen den Strategien mit niedrigem Hub und hohem Hub (d. h. in einer Lücke zwischen dem niedrigen und dem hohen Betriebsbereich) ein Klingeln oder eine instabile Verbrennung umfassen. Ferner erfordert ein Übergang von einem Profil sowohl für das Auslass- als auch für das Einlassventil zu dem anderen Profil für beide Ventile, dass eine Anzahl von Motorbetriebsparametern angepasst wird. Diese Motorbetriebsparameter können für die Änderung mehr als einen einzigen Verbrennungszyklus benötigen, was zu einer wahrnehmbaren Störung des Motorbetriebs während des Übergangs führt.
Der Betrieb in dem HCCI-Modus, bei dem sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil mit Profilen mit niedrigem Hub betrieben werden, kann durch Verstellen der Verbrennung nach spät ausgedehnt werden, indem beispielsweise der Start der Kraftstoffeinspritzung nach spät verstellt wird. Es ist jedoch bekannt, dass das Verstellen der Verbrennung nach spät die Verbrennungseffizienz verringert, was zu einer verringerten Kraftstoffeffizienz führt.
Ein Verfahren zum Überleiten zwischen dem Betrieb mit HCCI-Modus-Verbrennung in einen niedrigen Betriebsbereich mit einer Ventilstrategie mit niedrigem Hub sowohl des Auslass- als auch des Einlassventils bei Profilen mit niedrigem Hub und in einem hohen Betriebsbereich mit einer Ventilstrategie mit hohem Hub des Auslass- und des Einlassventils mit Profilen mit hohem Hub umfasst einen Betrieb in einem mittleren Betriebsbereich mit einer Ventilstrategie mit gemischtem Hub des Auslassventils bei einem Profil mit niedrigem Hub und des Einlassventils mit einem Profil mit hohem Hub. Indem das Auslass- und das Einlassventil auf diese Weise gesteuert werden, können Eigenschaften eines mittleren Betriebsbereichs zwischen einem niedrigen Betriebsbereich, in dem Profile mit niedrigem Hub verwendet werden, und einem hohen Betriebsbereich, in dem Profile mit hohem Hub verwendet werden, eine Lücke zwischen dem hohen Betriebsbereich und dem niedrigen Betriebsbereich überbrücken. Das Klingeln der Ventile, die mit Profilen mit niedrigem Hub betrieben werden, oder eine instabile Verbrennung durch Ventile, die mit Profilen mit hohem Hub betrieben werden, kann vermieden werden, und es kann ebenso die verringerte Effizienz vermieden werden, die mit der Verstellung der Verbrennung nach spät verbunden ist. Aufgrund des Überleitens der Ventile, sodass das Auslassventil mit einem Profil mit niedrigem Hub betrieben wird und das Einlassventil mit einem Profil mit hohem Hub betrieben wird, ist es ferner einzusehen, dass ein Übergang entweder in den niedrigen Betriebsbereich oder in den hohen Betriebsbereich dadurch erleichtert wird, dass nur eines von dem Auslass- oder dem Einlassventil einen Übergang erfordert, wodurch eine Auswirkung des Übergangs auf den wahrnehmbaren Betrieb des Motors verringert wird.
Das Steuermodul 5 leitet den Motorbetrieb in den bevorzugten Verbrennungsmodus über, der dem Motor 10 zugeordnet ist, um Kraftstoffeffizienzen und die Verbrennungsstabilität zu verbessern, um das Klingeln zu verringern oder um Emissionen zu verringern. Eine Änderung in dem Motorarbeitspunkt kann den gegenwärtigen Betriebsbereich des Motorarbeitspunkts verändern. Das Steuermodul 5 weist eine Änderung in dem Betrieb des Motors einschließlich der Ventilhubeinstellungen basierend auf dem gegenwärtigen Betriebsbereich des Motorarbeitspunkts an.
2-1, 2-2 und 2-3 sind Darstellungen beispielhafter Hubprofile des Auslass- und des Einlassventils während des Betriebs mit HCCI-Verbrennung in einem niedrigen Betriebsbereich, einem mittleren Betriebsbereich bzw. einem hohen Betriebsbereich. Gleiche Ziffern repräsentieren überall in den Zeichnungen dieselben Gegenstände. 2-1 ist eine Darstellung beispielhafter Auslass- und Einlass-Ventilprofile 106 bzw. 108 mit niedrigem Hub, wobei sich ein Motorarbeitspunkt in dem niedrigen Betriebsbereich befindet. Die horizontale Achse repräsentiert Kurbelwinkelgrade über einen Verbrennungszyklus. Die Kurve 110 in einem oberen Abschnitt repräsentiert die Bewegung des Kolbens, wobei das lokale Minimum angibt, dass der Kolben den TDC erreicht. Die Kurven in dem unteren Abschnitt repräsentieren den Ventilhub, wie nachstehend weiter beschrieben ist. Der Betrieb in dem niedrigen Betriebsbereich repräsentiert einen Betrieb mit HCCI-Verbrennung gemäß einer Ventilstrategie mit niedrigem Hub sowohl des Auslass- als auch des Einlassventils bei Profilen mit niedrigem Hub. Die vier Takte einer Viertakt-Verbrennung sind relativ zu Bereichen der Kolbenbewegung dargestellt, die auf die Grenzwerte der Kolbenbewegung bezogen sind, nämlich relativ zu dem unteren Totpunkt (BDC) und dem oberen Totpunkt (TDC). Der BDC ist bei der Linie 100 dargestellt, wobei der Bereich links des BDC 100 einen Arbeitstakt darstellt und der Bereich rechts des BDC 100 den Auslasstakt darstellt. Der TDC nach dem Auslasstakt ist bei der Linie 102 dargestellt, und der Bereich rechts des TDC 100 stellt den Einlasstakt dar. Der BDC nach dem Einlasstakt ist bei der Linie 104 dargestellt, und der Bereich rechts des BDC 104 repräsentiert einen Kompressionstakt.
Die beispielhafte Auslassventilbewegung 106 öffnet anfänglich und nimmt bis zu einem vorbestimmten Hub 114 zu, und sie schließt während des Auslasstakts, d. h. rechts des BDC 100 und vor dem TDC 102. Die beispielhafte Einlassventilbewegung 108 öffnet anfänglich, nimmt bis einem vorbestimmten Hub 120 zu und schließt während des Einlasstakts, d. h. links des BDC 104. Die Größe des Ventilhubs wird durch die Punkte 114 und 120 für die Auslassventilbewegung bzw. die Einlassventilbewegung 106, 108 dargestellt. Die Dauer jeder Ventilöffnung wird durch den Abstand zwischen den Öffnungspunkten und den Schließpunkten für die entsprechende Auslass- und Einlassventilbewegung 106, 108 dargestellt. Die Beziehung zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils gibt einen Zustand mit Ventilüberlappung an, in diesem Fall mit NVO. Es versteht sich, dass durch den VCP-Teil des VCP/VLC-Systems der Betrag der NVO basierend auf den Motorbetriebsparametern anpassbar ist und größer oder kleiner werden kann, als in dieser statischen Referenz dargestellt ist.
2-2 ist eine Darstellung eines beispielhaften Auslassventilprofils 106 und von Einlassventilprofilen 108 bzw. 130 mit niedrigem Hub bzw. mit hohem Hub, wobei ein Motorarbeitspunkt in dem mittleren Betriebsbereich liegt. Die horizontale Achse repräsentiert Kurbelwinkelgrade über einen Verbrennungszyklus. Die Kurve 110 stellt in einem oberen Abschnitt die Bewegung des Kolbens dar, wobei das lokale Minimum angibt, dass der Kolben den TDC erreicht. Die Kurven in dem unteren Abschnitt stellen den Ventilhub dar, wie nachstehend weiter beschrieben ist. Der Betrieb in dem mittleren Betriebsbereich stellt den Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus gemäß der Ventilstrategie mit gemischtem Hub eines Auslassventilprofils mit niedrigem Hub und eines Einlassventilprofils mit hohem Hub dar. Die vier Takte des Viertakt-Verbrennungsprozesses können wie vorstehend gezeigt werden, wobei der BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Auslasstakt bei der Linie 100 liegt, der TDC zwischen dem Auslasstakt und dem Einlasstakt bei der Linie 102 liegt und der BDC zwischen dem Einlasstakt und dem Kompressionstakt bei der Linie 104 liegt.
Das Auslassventilprofil mit niedrigem Hub wird durch die Linie 106 dargestellt, und es umfasst einen vorbestimmten Hub 114, und das beispielhafte Einlassventilprofil mit hohem Hub wird durch die Linie 130 dargestellt und umfasst den vorbestimmten Hub 126. Als Referenz ist ein Einlassventilprofil mit niedrigem Hub durch die gestrichelte Linie 108 dargestellt, und es umfasst den vorbestimmten Hub 120, wodurch der veränderte Ventilhub bzgl. des Ventilbetriebs dargestellt ist, wie er in 2-1 beschrieben ist. Der Wechsel des Einlassventils zu dem Profil mit hohem Hub erzeugt eine längere Dauer, für die das Ventil offen ist, wodurch der Überlappungszustand beeinflusst wird. Bei den beispielhaften Ventilhubprofilen von 2-2 wird ein Zustand mit einer kleinen PVO erzeugt. Der Ventilüberlappungszustand kann basierend auf Überlegungen, die einem Fachmann bekannt sind, basierend auf sich ändernden Profilen entweder für das Auslassventil oder für das Einlassventil moduliert werden.
2-3 ist eine Darstellung von beispielhaften Auslass- und Einlassventilprofilen 140 bzw. 130, wobei sich ein Motorarbeitspunkt in dem hohen Betriebsbereich befindet. Die horizontale Achse repräsentiert Kurbelwinkelgrade über einen Verbrennungszyklus. Die Kurve 110 in einem oberen Abschnitt stellt die Bewegung des Kolbens dar, wobei das lokale Minimum angibt, dass der Kolben den TDC erreicht. Die Kurven in dem unteren Abschnitt stellen den Ventilhub dar, wie nachstehend weiter beschrieben ist. Der Betrieb in dem hohen Betriebsbereich stellt den Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus gemäß einer Ventilstrategie mit hohem Hub sowohl des Auslass- als auch des Einlassventils bei Ventilprofilen mit hohem Hub dar. Die vier Takte des Viertakt-Verbrennungsprozesses können wie vorstehend gezeigt werden, wobei der BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Auslasstakt bei der Linie 100 liegt, der TDC zwischen dem Auslasstakt und dem Einlasstakt bei der Linie 102 liegt und der BDC zwischen dem Einlasstakt und dem Kompressionstakt bei der Linie 104 liegt.
Das Einlassventilprofil mit hohem Hub ist durch die Linie 130 dargestellt und umfasst einen vorbestimmten Hub 126. Das Auslassventilprofil mit hohem Hub ist durch die Linie 140 dargestellt und umfasst einen vorbestimmten Hub 134. Als Referenz ist ein Auslassventilprofil mit niedrigem Hub durch die gestrichelte Linie 106 dargestellt, und es umfasst einen vorbestimmten Hub 114, wodurch der veränderte Ventilhub bzgl. des Ventilbetriebs dargestellt wird, der in 2-2 beschrieben ist. Es tritt ein großer Betrag der PVO auf, was zu einem PVO-Verbrennungsmodus führt, welcher der HCCI-Verbrennung in dem hohen Betriebsbereich zugeordnet ist.
Wenn ermittelt wird, dass ein Arbeitspunkt oberhalb eines Schwellenwerts für den hohen Betriebsbereich liegt, der eine Grenze für den Motorarbeitspunkt definiert, oberhalb derer die HCCI-Verbrennung nicht günstig ist, kann das Steuermodul 5 einen Übergang von der HCCI-Verbrennung in dem hohen Betriebsbereich zu der SI-Verbrennung anweisen. Der Übergang zwischen der HCCI-Verbrennung und der SI-Verbrennung kann aufgrund dessen, dass beide Modi Auslass- und Einlassventilprofile mit hohem Hub verwenden, mit einer verringerten Störung des Motorbetriebs ausgeführt werden.
Der Betrieb der HCCI-Verbrennung wird basierend auf der verringerten Stabilität oder Effizienz und basierend auf dem Klingeln oder einem hörbaren Verbrennungsgeräusch begrenzt. Ein erster und ein zweiter Schwellenwert, die jeweils Grenzen zwischen dem niedrigen Betriebsbereich, dem mittleren Betriebsbereich und dem hohen Betriebsbereich definieren, können basierend auf dem Motorbetrieb, z. B. basierend auf dem hörbaren Verbrennungsgeräusch und der Effizienz, ausgewählt oder kalibriert werden.
Der Betrieb eines Motors in dem niedrigen, mittleren und hohen Betriebsbereich kann bestimmt werden, indem ein Arbeitspunkt des Motors als eine überwachte Motordrehzahl und eine überwachte Motorlast überwacht wird und indem der Arbeitspunkt mit Schwellenwerten verglichen wird, welche die verschiedenen Betriebsbereiche definieren. Ein erster Schwellenwert, der eine Grenze zwischen dem niedrigen und dem mittleren Betriebsbereich definiert, kann als eine Grenze in einem zweidimensionalen Raum aufgetragen werden, der durch die Achsen der Motordrehzahl und der Motorlast definiert ist. Auf ähnliche Weise kann ein zweiter Schwellenwert, der eine Grenze zwischen dem mittleren und dem hohen Betriebsbereich definiert, als eine Grenze in demselben zweidimensionalen Raum aufgetragen werden. Zur Erleichterung der Durchführung kann das Überwachen des Arbeitspunkts des Motors jedoch auf das Überwachen einer Last des Motors vereinfacht werden, während sich der Motor in einem gegebenen Motordrehzahlbereich befindet oder eine Motordrehzahl aufweist, die einer ausgewählten kalibrierten Drehzahl im Wesentlichen gleich ist, und indem die Last des Motors mit einer ersten Schwellenwertlast, welcher eine Grenze zwischen dem niedrigen und dem mittleren Betriebsbereich definiert, und einer zweiten Schwellenwertlast verglichen wird, welcher eine Grenze zwischen dem mittleren und dem hohen Betriebsbereich definiert, um den Betriebsbereich des Motors als niedrig, mittel oder hoch zu ermitteln. Zusätzlich kann ein Schwellenwert für den hohen Betriebsbereich verwendet werden, um von dem HCCI-Modus in den SI-Modus überzuleiten. Eine Anzahl von Schwellenwerten kann basierend auf verschiedenen Motordrehzahlbereichen verfügbar sein, die beispielsweise durch eine Nachschlagetabelle verfügbar gemacht werden. Indem die Ermittlung des Betriebsbereichs auf diese Weise basierend auf der Last vereinfacht wird, kann der Vergleich der Schwellenwerte mit dem überwachten Lastwert schneller und mit geringerer computertechnischer Last an dem Steuermodul ausgeführt werden.
Der niedrige, der mittlere und der hohe Betriebsbereich können durch eine Motorlast ermittelt werden, die durch einen mittleren effektiven Nettodruck (NMEP) gemessen wird, der in kPa angegeben wird. Gemäß einer beispielhaft Motorkonfiguration und basierend auf einem Testen der beispielhaften Konfiguration und einem Abgleichen erstreckt sich der niedrigere Betriebsbereich von einem Betriebslastbereich von 0 kPa bis ungefähr 450 kPa mit einer ersten Schwellenwertlast von 450 kPa, der mittlere Betriebsbereich erstreckt sich von einem Betriebslastbereich von ungefähr 450 kPa bis 600 kPa mit einer zweiten Schwellenwertlast von 600 kPa, und der hohe Betriebsbereich erstreckt sich von dem Betriebslastbereich von ungefähr 600 kPa bis 1000 kPa. Oberhalb eines NMEP von 1000 kPa, einer Schwellenwertlast des hohen Betriebsbereichs für den beispielhaften Motor, geht der Betrieb des Motors in den SI-Verbrennungsmodus über. Es ist einzusehen, dass sich diese Zahlen für unterschiedliche Motorausbildungen, Kraftstofftypen und Betriebsbereiche ändern können und dass die speziellen Werte durch eine Kalibrierung gemäß den hierin offenbarten Verfahren ermittelt werden können.
3 ist eine Graphik von Daten eines spezifischen Netto-Kraftstoffverbrauchs (NSFC) in g/kWh an der vertikalen Achse 173, der gegen den NMEP an der horizontalen Achse 175 aufgetragen ist, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen Betriebsbereich 170, in dem hohen Betriebsbereich 172 und in dem mittleren Betriebsbereich 174 arbeitet. Der NSFC ist eine Metrik für den Kraftstoffverbrauch, die nützlich ist, um die Verbrennungseffizienz auszudrücken, wobei niedrige Werte eine höhere Effizienz angeben. Da jeder spezielle Motor seine eigenen NSFC-Eigenschaften aufweist, ist die spezielle NSFC-Bewertung nicht wichtig, der Trend, den jede Graphik zeigt, ist jedoch für die erreichbaren Betriebseigenschaften repräsentativ. Jeder der Bereiche 170, 172 und 174 zeigt niedrigere NSFC-Werte über spezielle Bereiche der Last. Wenn der niedrigere Betriebsbereich 170 und der hohe Betriebsbereich 172 verglichen werden, ist eine Lücke zwischen einem Wert von 172 bei einem niedrigsten Lastwert und eine verzögerte Effizienz des Betriebsbereichs 170 bei diesem Lastwert offensichtlich. Die Werte für den Betriebsbereich 174 bei Lastwerten in der Nähe des niedrigsten Lastwerts für den Betriebsbereich 172 stellen eine Möglichkeit des Betriebs in dem mittleren Betriebsbereich 174 dar, um die Lücke zwischen dem niedrigen Betriebsbereich 170 und dem hohen Betriebsbereich 172 zu überbrücken. Indem zwischen dem niedrigen Betriebsbereich 170, dem hohen Betriebsbereich 172 und dem mittleren Betriebsbereich 174 basierend auf der Last umgeschaltet wird, kann der Betrieb mit einem optimierten niedrigsten NSFC und einem höchsten Effizienzprofil der Werte aufrecht erhalten werden.
4 ist eine Graphik von Daten eines Klingelindex (RI) in MW/m² an der vertikalen Achse 183, der gegen den NMEP an der horizontalen Achse 185 aufgetragen ist, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen Betriebsbereich 180, in dem hohen Betriebsbereich 182 und in dem mittleren Betriebsbereich 184 betrieben wird. Der RI ist eine Angabe eines hörbaren Verbrennungsgeräuschniveaus bei verschiedenen Lastwerten für jeden der Betriebsbereiche 180, 182 und 184. Da jeder spezielle Motor seine eigenen RI-Eigenschaften aufweist, ist die spezielle RI-Bewertung nicht wichtig, der Trend, den jede Graphik zeigt, ist jedoch für die erreichbaren Betriebseigenschaften repräsentativ. Die Verbrennung in dem niedrigen Betriebsbereich 180 ist derart dargestellt, dass sie bei einem niedrigen Lastwert und einem entsprechenden niedrigen RI-Wert beginnt. Der RI nimmt bis zu einem Spitzenwert zu, und er nimmt anschließend über den Lastbereich ab, während er im Allgemeinen zu einem höheren RI-Wert als im mittleren Betriebsbereich 184 und im hohen Betriebsbereich 182 zurückkehrt. Der mittlere Betriebsbereich 184 beginnt vor dem Spitzen-RI des niedrigen Betriebsbereichs 180 und erstreckt sich in den hohen Betriebsbereich 182, während ein relativ konsistentes RI-Niveau aufrecht erhalten wird. Der hohe Betriebsbereich 182 kann bei dem mittleren Betriebsbereich beginnen, und er erstreckt sich bis zu dem Ende des Prozesses, an dem der RI in einem engen Band bleibt, bis das RI-Niveau inkonsistent wird.
Durch das Auswählen eines zu verwendenden Betriebsbereichs anhand der dargestellten Datenpunkte basierend auf dem Erreichen niedrigerer Verbrennungsgeräuschniveaus erreicht das Umschalten von dem niedrigen Betriebsbereich 180 in den mittleren Betriebsbereich 184 bei dem niedrigsten verfügbaren Lastwert des mittleren Betriebsbereichs einen signifikanten Abfall in dem Verbrennungsgeräusch. Durch das Kombinieren der Daten von 3 und 4 können der niedrige, der mittlere und der hohe Betriebsbereich, die als ein erster, ein zweiter und ein dritter Betriebsbereich-Schwellenwert verkörpert werden, kalibriert werden, um für die höchstmögliche Effizienz und ein verringertes Verbrennungsgeräusch zu sorgen. Alternativ kann der Betrieb des Motors über einen Bereich von Werten der Motorlast und der Motordrehzahl abgebildet werden, wodurch ein zweidimensionales kalibriertes Kennfeld für den niedrigen, den mittleren und den hohen Betriebsbereich zur Verwendung sowohl mit der Motorlast als auch mit der Motordrehzahl geliefert wird.
5 ist eine Graphik von Daten der Ventilzeitsteuerung (in Grad nach dem TDC) an der vertikalen Achse 193, die gegen den NMEP an der horizontalen Achse 195 aufgetragen ist, für das Öffnen 192 des Einlassventils und das Schließen 190 des Auslassventils, wenn der beispielhafte Motor in dem niedrigen Betriebsbereich 194 des HCCI-Betriebs, in dem mittleren Betriebsbereich 196 des HCCI-Betriebs und in dem hohen Betriebsbereich 198 des HCCI-Betriebs betrieben wird. Eine NVO existiert dann, wenn das Schließen 190 des Auslassventils vor dem Öffnen 192 des Einlassventils auftritt, beispielsweise in dem niedrigen Betriebsbereich 194 des HCCI-Betriebs. Eine PVO existiert dann, wenn das Öffnen 192 des Einlassventils vor dem Schließen 190 des Auslassventils auftritt, beispielsweise in dem mittleren Betriebsbereich 196 des HCCI-Betriebs und in dem hohen Betriebsbereich 198 des HCCI-Betriebs. Da jeder spezielle Motor seine eigenen Eigenschaften für das Schließen 190 des Auslassventils und das Öffnen 192 des Einlassventils aufweist, sind die speziellen Schließ- und Öffnungspunkte nicht wichtig, der Trend des Motorbetriebs, den jede Graphik zeigt, ist jedoch für die Betriebseigenschaften repräsentativ. Der niedrige Betriebsbereich 194 des HCCI-Betriebs tritt auf, und wenn die Last zunimmt, nimmt die NVO ab. Die PVO nimmt im Allgemein in dem mittleren Betriebsbereich 196 des HCCI-Betriebs ab, wenn das Öffnen 192 des Einlassventils bzgl. der Zeit relativ konsistent bleibt und das Schließen 190 des Auslassventils später auftritt. Der hohe Betriebsbereich 198 des HCCI-Betriebs tritt mit PVO auf, die im Allgemeinen bei dem Beginn des hohen Betriebsbereichs 198 des HCCI-Betriebs am größten ist und abnimmt, wenn die Last zunimmt.
Der Motor beginnt den Betrieb in dem niedrigen Betriebsbereich 194 des HCCI-Betriebs. Das Steuermodul überwacht die Motorbetriebsparameter, um die gegenwärtigen Motorbetriebszustände zu ermitteln, wie beispielsweise Lastbereiche, Drehzahlniveaus und das Verbrennungsgeräuschniveau. Eine Drehmomentanforderung von dem Bediener kann die Lastanforderung für den Motor erhöhen oder verringern.
Bei einem beispielhaften Übergang von einer niedrigen Last zu zunehmenden Lastwerten wird der Betriebsbereich des Motors überwacht. Das Steuermodul ermittelt, dass der Betriebsbereich des HCCI-Betriebs in dem niedrigen Betriebsbereich 194 überschritten wurde, z. B. dass der Lastbereich eine erste Schwellenwertlast überschreitet, und es weist das VCP/VLC-System an, in dem mittleren Betriebsbereich 196 des HCCI-Betriebs zu arbeiten. Das Einlassventil beginnt den Betrieb mit dem Profil mit hohem Hub und modifiziert sowohl den Hub als auch Dauer über das Profil mit niedrigem Hub. Das Schließen 190 des Auslassventils kann ebenso durch das VCP/VLC-System für eine optimale Verbrennung angepasst werden. Der HCCI-Betrieb 196 in dem mittleren Betriebsbereich arbeitet mit einem kleinen Betrag der PVO. Das Umschalten in den mittleren Betriebsbereich 196 des HCCI-Betriebs führt zu einem Betrieb mit PVO, verringert den RI und verringert den NSFC im Verlauf des weiteren Betriebs mit dem Profil 194 mit niedrigem Hub. Wenn die Last zunimmt, erhöht das Steuermodul den Betrag der PVO, und der RI sowie der NSFC nehmen weiter ab. Es versteht sich, dass, obwohl der PVO-Betrieb bezogen auf den mittleren Betriebsbereich beschrieben ist, der Controller in der Lage ist, einen Zustand mit Ventilüberlappung basierend auf der Motordrehzahl, der Motorlast und den Nockenprofilen auszuwählen.
Das Steuermodul ermittelt, dass der Betriebsbereich des HCCI-Betriebs 196 in dem mittleren Betriebsbereich überschritten wurde, z. B. dass der Lastbereich eine zweite Schwellenwertlast überschreitet, und es weist das VCP/VLC-System an, in dem hohen Betriebsbereich 198 des HCCI-Betriebs zu arbeiten. Das Auslassventil wird zu dem Betrieb mit dem Profil mit hohem Hub übergeleitet, und sowohl der Hub als auch Dauer werden über das Profil mit niedrigem Hub modifiziert. Das Öffnen 192 des Einlassventils kann ebenso durch den VCP-Teil des VCP/VLC-Systems für eine optimale Verbrennung angepasst werden. Der HCCI-Betrieb in dem hohen Betriebsbereich 198 arbeitet mit einem größeren Betrag der PVO als der HCCI-Betrieb in dem mittleren Betriebsbereich 196.
Das Steuermodul ermittelt, dass der Betriebsbereich des HCCI-Betriebs in dem hohen Betriebsbereich 198 ein vorbestimmtes Maximum für den hohen Betriebsbereich überschritten hat, z. B. dass die Last eine Schwellenwertlast des hohen Betriebsbereichs überschreitet, und es weist das VCP/VLC-System an, in einem höheren Betriebsbereich zu arbeiten, der den Betrieb mit SI-Verbrennung darstellt. Der Übergang von dem Betrieb in dem hohen Betriebsbereich mit Profilen mit hohem Hub für das Einlass- und das Auslassventil zu dem SI-Betrieb mit Profilen mit hohem Hub für das Einlass- und das Auslassventil führt zu einem relativ glatten Übergang zwischen den Betriebsstrategien.
Die vorstehenden Verfahren werden anhand eines Profils mit hohem Hub und eines Profils mit niedrigem Hub für eine beispielhafte zweistufige Ventilhubsteuerung dargelegt. Es ist jedoch einzusehen, dass die Verfahren mit anderen Konfigurationen der VLC gemäß Modifikationen verwendet werden können, die für einen Fachmann offensichtlich sind, und dass die Verfahren nicht auf eine zweistufige Konfiguration begrenzt sein müssen.

6 stellt einen nicht einschränkenden beispielhaften Prozess dar, durch den ein Betriebsbereich ermittelt und verwendet werden kann, um Ventilhubprofile zu steuern, während mit HCCI-Verbrennung gearbeitet wird. Tabelle 1 ist als ein Schlüssel für 6 vorgesehen, wobei die numerisch bezeichneten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1

Block	Beschreibung
402	Arbeite in einem HCCI-Verbrennungsmodus
404	Ermittle einen Betriebsbereich basierend auf einem Arbeitspunkt des Motors
406	Ist der Betriebsbereich niedrig, mittel oder hoch?
408	Betreibe das Auslass- und das Einlassventil bei einer niedrigen Position
410	Passe die Verbrennungsparameter für die Ventilstrategie an
412	Betreibe das Auslassventil bei einer niedrigen Position und das Einlassventil bei einer hohen Position
414	Passe die Verbrennungsparameter für die Ventilstrategie an
416	Betreibe das Auslass- und das Einlassventil bei einer hohen Position
418	Passe die Verbrennungsparameter für die Ventilstrategie an
420	Soll der Betrieb des Motors in dem HCCI-Verbrennungsmodus fortgesetzt werden?
422	Ende

Der Prozess 400 beginnt bei Block 402, indem der Motor in einem HCCI-Verbrennungsmodus betrieben wird. Bei Block 404 wird ein Betriebsbereich des Motors basierend auf einem Arbeitspunkt des Motors ermittelt. Bei Block 406 wird der Betriebsbereich verwendet, um einen von dem Pfeil 440 für einen niedrigen Betriebsbereich, von dem Pfeil 442 für einen mittleren Betriebsbereich und von dem Pfeil 444 für einen hohen Betriebsbereich auszuwählen. Bei Block 408 werden sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil in eine niedrige Position eingestellt, und bei Block 410 werden entsprechende Verbrennungsparameter eingestellt, wie beispielsweise die Luft, die AGR und der Kraftstoff. Bei Block 412 wird das Auslassventil in eine niedrige Position eingestellt, und das Einlassventil wird in eine hohe Position eingestellt, und bei Block 414 werden die entsprechenden Verbrennungsparameter eingestellt, wie beispielsweise die Luft, die AGR und der Kraftstoff. Bei Block 416 werden sowohl das Auslass- als auch das Einlassventil in eine hohe Position eingestellt, und bei Block 418 werden die entsprechenden Verbrennungsparameter eingestellt, wie beispielsweise die Luft, die AGR und der Kraftstoff. Wenn der Motor bei Block 420 weiterhin in dem HCCI-Modus arbeitet, wird der Pfeil 446 ausgewählt, und der Prozess kehrt zu Block 404 zurück. Wenn der Motor nicht weiter in dem HCCI-Modus arbeiten soll, wird der Pfeil 446 ausgewählt. Block 422 beendet den Prozess.
Die Offenbarung offenbart einzelnes Nockenprofil, das den Betrieb ermöglicht, wie er beschrieben ist. Es können jedoch mehrere andere Nockenprofile auf eine ähnliche Weise verwendet werden, die einen oder mehrere der Betriebsbereiche erweitern oder den Ventilhub modifizieren können, z. B. kann der mittlere Betriebsbereich während eines Teils des Betriebs oder während des gesamten Betriebs des mittleren Betriebsbereichs mit NVO betrieben werden, ohne von dem Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Es ist zu erkennen, dass, obwohl eine Last als ein Wert zum Ermitteln des Betriebsbereichs des Motors offenbart ist, andere Metriken ebenso verwendet werden können, z. B. die Motordrehzahl kombiniert mit der Motorlast oder andere Werte, die einen Motorarbeitspunkt festlegen, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner kann der Lastbetriebsbereich basierend auf dem Betriebslastbereich der speziellen Motorkonfiguration vorbestimmt werden, z. B. basierend auf Nockenprofilen und Betriebsbereichen, und er kann ebenso durch eine Reihe von Nachschlagetabellen ermittelt werden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, umfassend, dass: der Motor dann, wenn der Motor in einem niedrigen Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit niedrigem Hub gesteuert wird, die umfasst: ein Profil mit niedrigem Hub für ein Auslassventil, ein Profil mit niedrigem Hub für ein Einlassventil und eine negative Überlappung des Einlass- und des Auslassventils; der Motor dann, wenn der Motor in einem hohen Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit hohem Hub gesteuert wird, die umfasst: ein Profil mit hohem Hub für das Auslassventil, ein Profil mit hohem Hub für das Einlassventil und eine positive Überlappung des Einlass- und des Auslassventils; und der Motor dann, wenn der Motor in einem mittleren Betriebsbereich zwischen dem niedrigen Betriebsbereich und dem hohen Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit gemischtem Hub gesteuert wird, die umfasst: das Profil mit niedrigem Hub für das Auslassventil und das Profil mit hohem Hub für das Einlassventil.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass das Ermitteln, dass der Motor in dem niedrigen, dem hohem oder dem mittleren Betriebsbereich arbeitet, umfasst, dass: eine Motorlast ermittelt wird; die Motorlast mit einer ersten vorbestimmten Last verglichen wird, die eine Grenze zwischen dem niedrigen Betriebsbereich und dem mittleren Betriebsbereich definiert; die Motorlast mit einer zweiten vorbestimmten Last verglichen wird, die eine Grenze zwischen dem mittleren Betriebsbereich und dem hohen Betriebsbereich definiert; und basierend auf den Vergleichen ermittelt wird, in welchem von dem niedrigen, dem hohen und dem mittleren Betriebsbereich der Motor arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: der Motor dann, wenn der Motor jenseits des hohen Betriebsbereichs arbeitet, in einem Funkenzündungsmodus mit der Ventilstrategie mit hohem Hub gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Betriebsbereiche durch einen Arbeitspunkt für die Motordrehzahl und die Motorlast definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ventilstrategie mit gemischtem Hub ferner eine negative Ventilüberlappung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ventilstrategie mit gemischtem Hub ferner eine positive Ventilüberlappung umfasst.
Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, umfassend, dass: eine Motorlast ermittelt wird; eine Motordrehzahl ermittelt wird; basierend auf der Motorlast und der Motordrehzahl ermittelt wird, dass der Motor in einem niedrigen Betriebsbereich, in einem hohen Betriebsbereich oder in einem mittleren Betriebsbereich zwischen dem niedrigen und dem hohen Betriebsbereich arbeitet, die auf der Motordrehzahl und der Motorlast basieren; der Motor dann, wenn der Motor in dem niedrigen Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit niedrigem Hub gesteuert wird, die umfasst: ein Profil mit niedrigem Hub für ein Auslassventil, ein Profil mit niedrigem Hub für ein Einlassventil und eine negative Überlappung des Einlass- und des Auslassventils; der Motor dann, wenn der Motor in dem hohen Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit hohem Hub gesteuert wird, die umfasst: ein Profil mit hohem Hub für das Auslassventil, ein Profil mit hohem Hub für das Einlassventil und eine positive Überlappung des Einlass- und des Auslassventils; und der Motor dann, wenn der Motor in dem mittleren Betriebsbereich arbeitet, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung mit einer Ventilstrategie mit gemischtem Hub gesteuert wird, die umfasst: das Profil mit niedrigem Hub für das Auslassventil und das Profil mit hohem Hub für das Einlassventil.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst, dass: der Motor dann, wenn der Motor jenseits des hohen Betriebsbereichs arbeitet, in einem Funkenzündungsmodus mit der Ventilstrategie mit hohem Hub gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ventilstrategie mit gemischtem Hub ferner eine negative Ventilüberlappung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ventilstrategie mit gemischtem Hub ferner eine positive Ventilüberlappung umfasst.