DE102018104078A1 - Steuern eines variablen verdichtungsverhältnisses mit einem auf druck reagierenden kolben - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zum Einstellen eines Zündzeitpunkts eines Verbrennungsmotors als Reaktion auf eine Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Motor einen auf Druck reagierenden Kolben beinhalten, der eine obere Wand aufweist, die von einer Kolbenbasis weg durch innerhalb der Basis enthaltenes Gas vorgespannt ist. Ein Zündzeitpunkt einer Brennkammer, die den Kolben beinhaltet, wird als Reaktion auf eine geschätzte Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand eingestellt.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zum Steuern des Zündzeitpunkts eines Verbrennungsmotors.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK/KURZDARSTELLUNG
  • Ein Verbrennungsmotor beinhaltet mindestens eine Brennkammer, die durch einen Zylinder ausgebildet und durch einen Zylinderkopf abgedeckt ist. Ein innerhalb der Brennkammer angeordneter Kolben wird in Richtung des Zylinderkopfs bewegt, um ein Gemisch aus Kraftstoff (z. B. Benzin) und Luft in einem sogenannten Verdichtungstakt eines Verbrennungszyklus zu verdichten. Eine Zündkerze wird dann mit Energie versorgt, um das Luft-/Kraftstoff-Gemisch zu zünden und eine sich ausdehnende Flammenfront innerhalb der Brennkammer zu erzeugen. Die Zündung des Gemischs erhöht einen Gasdruck innerhalb der Brennkammer und drängt den Kolben in einem sogenannten Arbeitstakt oder Expansionstakt des Verbrennungszyklus von dem Zylinderkopf weg.
  • Unter Bedingungen, bei denen eine Brennkammertemperatur übermäßig hoch ist und/oder ein Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer übermäßig hoch ist (z. B. höher als Standardbereiche für Temperatur/Druck), kann sich ein Teil des Kraftstoff-/Luft-Gemischs zünden, nachdem während eines einzelnen Verbrennungszyklus und außerhalb der durch die Zündkerze erzeugten Flammenfront ein Zündfunken über die Zündkerze entladen worden ist, was üblicherweise als Detonation oder Klopfen bezeichnet wird. Klopfen führt zu einem lokalisierten starken Druckanstieg innerhalb der Brennkammer an der Stelle des detonierten Teils des Kraftstoff-/Luft-Gemischs. Der erhöhte Druck kann über mechanische Erosion von Motorkomponenten zu einer Beeinträchtigung des Motors führen.
  • Zu Versuchen, erhöhte Drücke in der Brennkammer anzugehen, gehören das Verwenden eines auf Druck reagierenden Kolbens innerhalb der Brennkammer, um ein Volumen der Brennkammer als Reaktion auf Druckanstiege vorübergehend zu erhöhen. Ein beispielhafter Ansatz wird von Galvin im US-Patent 6,907,849 gezeigt. Darin ist ein Kolben offenbart, der eine Balgfeder einschließt, die zwischen dem Kolben und einer zugehörigen Pleuelstange wirkt, um die Pleuelstange von einem Boden des Kolbens weg vorzuspannen. Ein anderer beispielhafter Ansatz wird von Youngblood im US-Patent 4,376,429 gezeigt. Darin ist ein Verfahren zum individuellen Steuern eines Zündzeitpunkts von Motorzylindern, um eine Leistung jedes Zylinders zu steigern, offenbart. Variationen von einem Zylinder zum anderen bei den Betriebseigenschaften und Umgebungsbedingungen können für erhöhtes Drehmoment und reduziertes Klopfen bei der Auswahl eines Zündzeitpunkts für die Zylinder berücksichtigt werden.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel kann eine Balgfeder eines Motorkolbens, die dazu ausgelegt ist, Energie von der Verbrennung eines Luft-/Kraftstoff-Gemischs innerhalb einer Brennkammer zu speichern, wie die in dem vorstehend genannten, auf ‘849 endenden Patent offenbarte, zu einer verringerten Drehmomentabgabe des Motors führen, da sich das Komprimieren und Expandieren der Balgfeder zu Zeitpunkten während des Verbrennungszyklus ereignen, die dazu führen, dass weniger Kraft durch den Kolben an die Kurbelwelle übertragen wird. Als ein anderes Beispiel berücksichtigen Verfahren zum Reduzieren von Motorklopfen durch Einstellen des Zündzeitpunkts, wie etwa das in dem vorstehend genannten, auf '429 endenden Patent offenbarte Verfahren, kein Verhalten eines auf Druck reagierenden Kolbens innerhalb einer Motorbrennkammer. Da ein auf Druck reagierender Kolben ein Verdichtungsverhältnis der Brennkammer unter Betriebsbedingungen, bei denen ein Druck von Gasen innerhalb des Brennkammer höher ist, verringern kann, kann eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert werden. Einstellen des Zündzeitpunkts als Reaktion auf Klopfen ohne zusätzliches Einstellen als Reaktion auf Betriebsbedingungen des auf Druck reagierenden Kolbens kann zu einem Zündzeitpunkt führen, der zu früh oder zu spät ist, was dadurch zu einem reduzierten Wirkungsgrad des Motors und potentieller Beeinträchtigung des Motors führt.
  • In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch ein Verfahren angegangen werden, das Folgendes umfasst: Schätzen einer Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb einer Brennkammer eines Motors angeordnet ist; und Einstellen eines Betriebsparameters des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft. Auf diese Art und Weise kann die geschätzte Vorspannkraft des Kolbens durch eine Steuerung des Motors verwendet werden, um den Motorbetrieb einzustellen und die Leistung und/oder den Wirkungsgrad des Motors zu steigern.
  • Als ein Beispiel kann ein Zündzeitpunkt des Motors als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft eingestellt werden. Der Zündzeitpunkt kann zum Beispiel als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft nach früh oder nach spät verstellt werden, um Klopfen innerhalb einer Brennkammer zu reduzieren. Der Kolben kann eine abgedichtete Basis beinhalten, die ein komprimierbares Gas enthält, wobei das Gas die Vorspannkraft gegen eine obere Wand des Bodens des Kolbens ausübt. Die Steuerung kann die Vorspannkraft für unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen schätzen, wie etwa unterschiedliche Betriebstemperaturen des Kolbens und unterschiedliche Oktanzahlen von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff. Durch Einstellen des Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft kann ein Ausmaß von durch den Motor erzeugter Arbeit erhöht werden und eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Es ist nicht beabsichtigt, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig in den Patentansprüchen im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile beseitigen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorzylinders, der einen auf Druck reagierenden Kolben beinhaltet.
    • 2 zeigt eine erste Ansicht und eine zweite Ansicht eines auf Druck reagierenden Kolbens eines Motors, wobei sich eine obere Wand des Kolbens in der ersten Ansicht in einer ersten Position befindet und sich die obere Wand in der zweiten Ansicht in einer zweiten Position befindet.
    • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Einstellen eines Zündzeitpunkts einer Brennkammer als Reaktion auf eine Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb der Brennkammer angeordnet ist.
    • 4 zeigt Verläufe, die Einstellungen des Zündzeitpunkts einer Brennkammer als Reaktion auf eine geschätzte Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens veranschaulichen.
    • 5 zeigt ein Schaubild, das Einstellungen des Zündzeitpunkts einer Brennkammer und eine geschätzte Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens innerhalb der Brennkammer für einen Kraftstoff mit einer ersten Oktanzahl und einen Kraftstoff mit einer zweiten Oktanzahl veranschaulicht.
    • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines auf Druck reagierenden Kolbens, der ein mechanisches Vorspannelement beinhaltet.
    • 2 und 6 sind maßstabsgetreu gezeigt, wenngleich auf Wunsch auch andere relative Abmessungen verwendet werden können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Einstellen des Betriebs eines Verbrennungsmotors als Reaktion auf eine geschätzte Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens. Ein Motor, wie etwa der durch 1 gezeigte Motor, kann einen auf Druck reagierenden Kolben beinhalten, der innerhalb einer Brennkammer angeordnet ist. Ein Boden des Kolbens kann eine bewegbare obere Wand beinhalten, die von einer Basis des Kolbens weg durch innerhalb der Basis enthaltenes Gas (z. B. Luft) vorgespannt ist, wie durch 2 gezeigt. Die bewegbare obere Wand kann durch einen dehnbaren Balg mit einer Innenfläche des Kolbens verbunden sein. Wenn ein Gasdruck innerhalb der Brennkammer über einen Druck von Gas innerhalb der Basis des Kolbens zunimmt, kann die bewegbare obere Wand weg von dem Boden des Kolbens und in Richtung der Basis des Kolbens gedrückt werden, wodurch das Gas innerhalb der Basis komprimiert und der Balg gedehnt wird. Ein Druck von Gas innerhalb der Basis des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens (und daher eine Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand) kann gemäß der allgemeinen Gasgleichung, PV = nRT, mit der Temperatur variieren. In einem Beispiel, wie in 3 gezeigt, kann eine Steuerung des Motors die Vorspannkraft schätzen, um einen Zündzeitpunkt der Brennkammer einzustellen. In einigen Beispielen (wie durch 3-4 gezeigt), kann der Zündzeitpunkt als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft und eine Klopfrate der Brennkammer eingestellt werden. In anderen Beispielen (wie durch 5 gezeigt), kann der Zündzeitpunkt zusätzlich als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft und eine Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff eingestellt werden. In noch anderen Beispielen kann ein Kolben ein mechanisches Vorspannelement beinhalten, wie durch 6 gezeigt. Eine Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements wird auf Grundlage einer Temperatur des mechanischen Vorspannelements geschätzt, und der Zündzeitpunkt wird auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft eingestellt. Auf diese Art und Weise wird der Zündzeitpunkt gemäß der geschätzten Vorspannkraft eingestellt, um ein Ausmaß von durch den Motor erzeugter Arbeit zu erhöhen und eine Klopfrate der Brennkammer zu reduzieren.
  • 1 stellt ein Beispiel für eine Brennkammer oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors 10 dar. Der Motor 10 kann mindestens teilweise durch ein Steuersystem, das die Steuerung 12 beinhaltet, und durch Eingaben von einem Fahrzeugführer 130 über eine Eingabevorrichtung 132 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder (hier auch „Brennkammer“) 14 des Motors 10 kann Brennkammerwände 136 beinhalten, in denen ein Kolben 138 positioniert ist. Der Kolben 138 kann an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, sodass eine Wechselbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. In dem durch 1 gezeigten Beispiel ist der Kolben 138 ein auf Druck reagierender Kolben, der dem durch 2 gezeigten und nachstehend näher beschriebenen Beispiel ähnelt. Die Kurbelwelle 140 kann über ein Getriebesystem an mindestens ein Antriebsrad des Personenkraftwagens gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlasser (nicht gezeigt) über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 140 gekoppelt sein, um einen Anlassvorgang des Motors 10 zu ermöglichen.
  • Der Zylinder 14 kann über eine Reihe von Ansaugluftkanälen 142, 144 und 146 Ansaugluft aufnehmen. Der Ansaugluftkanal 146 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 mit anderen Zylindern des Motors 10 kommunizieren. In einigen Beispielen können einer oder mehrere der Ansaugkanäle eine Aufladevorrichtung, wie etwa einen Turbolader oder einen Kompressor, beinhalten. Zum Beispiel zeigt 1 den Motor 10 mit einem Turbolader ausgelegt, der einen Verdichter 174, der zwischen den Ansaugkanälen 142 und 144 angeordnet ist, und eine Abgasturbine 176, die entlang eines Abgaskanals 148 angeordnet ist, beinhaltet. Der Verdichter 174 kann mindestens teilweise über eine Welle 180 durch die Abgasturbine 176 angetrieben werden, wenn die Aufladevorrichtung als Turbolader ausgelegt ist. In anderen Beispielen, wie etwa wenn der Motor 10 mit einem Kompressor versehen ist, kann die Abgasturbine 176 jedoch optional weggelassen werden, wobei der Verdichter 174 durch mechanische Eingaben von einem Elektromotor oder dem Motor angetrieben werden kann. Eine Drossel 162, die eine Drosselklappe 164 beinhaltet, kann entlang eines Ansaugkanals des Motors bereitgestellt sein, um die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den Druck der Ansaugluft zu variieren, die den Motorzylindern bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Drossel 162 stromabwärts von dem Verdichter 174 positioniert sein, wie in 1 gezeigt, oder sie kann alternativ stromaufwärts von dem Verdichter 174 bereitgestellt sein.
  • Der Abgaskanal 148 kann zusätzlich zu dem Zylinder 14 Abgase von anderen Zylindern des Motors 10 aufnehmen. Es ist gezeigt, dass der Abgassensor 128 stromaufwärts von der Emissionssteuervorrichtung 178 an den Abgaskanal 148 gekoppelt ist. Der Sensor 128 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zum Bereitstellen einer Angabe eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases ausgewählt sein, wie zum Beispiel einer linearen Lambdasonde oder UEGO-Sonde (Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor; Breitband- oder Weitbereichlambdasonde), einer Zweizustands-Lambdasonde oder EGO-Sonde (wie dargestellt), einer HEGO-Sonde (beheizten EGO-Sonde), einem NOx-, HC- oder CO-Sensor. Bei der Emissionssteuervorrichtung 178 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator (three way catalyst - TWC), eine NOx-Falle, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen daraus handeln.
  • Jeder Zylinder des Motors 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile beinhalten. Zum Beispiel ist der Zylinder 14 als mindestens ein Einlasstellerventil 150 und mindestens ein Auslasstellerventil 156 beinhaltend gezeigt, die in einem oberen Bereich des Zylinders 14 angeordnet sind. In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10, einschließlich des Zylinders 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile beinhalten, die in einem oberen Bereich des Zylinders angeordnet sind.
  • Das Einlassventil 150 kann über den Aktor 152 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Gleichermaßen kann das Auslassventil 156 über den Aktor 154 durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Unter einigen Bedingungen kann die Steuerung 12 die den Aktoren 152 und 154 bereitgestellten Signale variieren, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Position des Einlassventils 150 und Auslassventils 156 kann durch entsprechende Ventilpositionssensoren (nicht gezeigt) bestimmt werden. Die Ventilaktoren können der Art mit elektrischer Ventilbetätigung oder der Art mit Nockenbetätigung oder einer Kombination daraus angehören. Die Einlass- und Auslassventilansteuerung können gleichzeitig gesteuert werden oder es kann eine beliebige von einer Möglichkeit zur variablen Einlassnockenansteuerung, zur variablen Auslassnockenansteuerung, zur dualen unabhängigen variablen Nockenansteuerung oder zur festgelegten Nockenansteuerung verwendet werden. Jedes Nockenbetätigungssystem kann einen oder mehrere Nocken beinhalten und eines oder mehrere aus Systemen zur Nockenprofilverstellung (cam profile switching - CPS), variablen Nockenansteuerung (variable cam timing - VCT), variablen Ventilansteuerung (variable valve timing - WT) und/oder zum variablen Ventilhub (variable valve lift - VVL), die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, zum Variieren des Ventilbetriebs verwenden. Zum Beispiel kann der Zylinder 14 alternativ ein über elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über Nockenbetätigung einschließlich CPS und/oder VCT gesteuertes Auslassventil beinhalten. In anderen Beispielen können die Einlass- und Auslassventile durch einen gemeinsamen Ventilaktor oder ein gemeinsames Betätigungssystem oder einen Aktor oder ein Betätigungssystem zur variablen Ventilansteuerung gesteuert werden.
  • Der Zylinder 14 kann ein Verdichtungsverhältnis aufweisen, bei dem es sich um das Volumenverhältnis zwischen dem Kolben 138 am unteren Totpunkt und am oberen Totpunkt handelt. In einem Beispiel liegt das Verdichtungsverhältnis in dem Bereich von 9:1 bis 10:1. In einigen Beispielen, in denen andere Kraftstoffe verwendet werden, kann das Verdichtungsverhältnis jedoch erhöht sein. Hierzu kann es beispielsweise kommen, wenn Kraftstoffe mit einer höheren Oktanzahl oder Kraftstoffe mit einer höheren latenten Verdampfungsenthalpie verwendet werden. Das Verdichtungsverhältnis kann bei der Verwendung einer Direkteinspritzung aufgrund ihrer Auswirkung auf das Motorklopfen ebenfalls erhöht sein. Zusätzlich kann das Verdichtungsverhältnis des Zylinders 14 gemäß einem Druck von Gasen innerhalb des Zylinders 14 und einer Temperatur des Kolbens 138 variieren, da es sich bei dem Kolben 138 um einen auf Druck reagierenden Kolben handelt. Zum Beispiel kann eine Basis des Kolbens 138 ein Gas (z. B. Luft) enthalten, und eine obere Fläche (z. B. obere Wand) des Kolbens kann dazu ausgelegt sein, sich als Reaktion auf eine Differenz zwischen einem Druck von Gas innerhalb der Basis und einem Druck von Gas innerhalb der Brennkammer in Bezug auf die Basis zu bewegen. Unter Bedingungen, bei denen der Druck von Gas innerhalb der Brennkammer den Druck von Gas innerhalb der Basis des Kolbens übersteigt (z. B. während eines Verdichtungstakts eines Verbrennungszyklus), kann die obere Fläche des Kolbens aus einer Ausgangsposition in Richtung der Basis des Kolbens bewegt (z. B. gedrückt) werden, wodurch ein Volumen der Brennkammer erweitert und das Verdichtungsverhältnis verringert wird. Unter Bedingungen, bei denen der Druck des Gases innerhalb der Brennkammer geringer als der Druck von Gas innerhalb der Basis des Kolbens ist (z. B. während eines Ausstoßtakts des Verbrennungszyklus), kann sich die obere Fläche des Kolbens in eine Richtung weg von der Basis des Kolbens und in Richtung der Ausgangsposition bewegen, wodurch ein Volumen der Brennkammer reduziert wird. Eine Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff kann eine Bewegung der oberen Fläche des Kolbens in Bezug auf die Basis steigern oder verringern, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
  • In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10 eine Zündkerze 192 zum Initiieren der Verbrennung beinhalten. Das Zündsystem 190 kann der Brennkammer 14 als Reaktion auf ein Vorzündungssignal SA von der Steuerung 12 unter ausgewählten Betriebsmodi über die Zündkerze 192 einen Zündfunken bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Zündkerze 192 jedoch weggelassen werden, wie etwa, wenn der Motor 10 die Verbrennung durch eine Selbstzündung oder durch Kraftstoffeinspritzung initiieren kann, was bei einigen Dieselmotoren der Fall sein kann.
  • In einigen Beispielen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzvorrichtungen ausgelegt sein, um diesem Kraftstoff bereitzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel ist der Zylinder 14 derart gezeigt, dass er zwei Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 und 170 beinhaltet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 können dazu ausgelegt sein, aus dem Kraftstoffsystem 8 aufgenommenen Kraftstoff abzugeben. Wie unter Bezugnahme 2 und 3 ausgeführt, kann das Kraftstoffsystem 8 eine(n) oder mehrere Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und Kraftstoffverteiler beinhalten. Es ist gezeigt, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 direkt an den Zylinder 14 gekoppelt ist, um Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW-1, das von der Steuerung 12 über den elektronischen Treiber 168 empfangen wird, direkt in diesen einzuspritzen. So stellt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 sogenannte Direkteinspritzung (direct injection; nachfolgend als „DI“ bezeichnet) von Kraftstoff in den Verbrennungszylinder 14 bereit. Während die Einspritzvorrichtung 166 in 1 auf einer Seite des Zylinders 14 positioniert gezeigt ist, kann sie alternativ dazu oberhalb des Kolbens angeordnet sein, wie etwa in der Nähe der Position der Zündkerze 192. Eine solche Position kann das Mischen und Verbrennen verbessern, wenn der Motor mit einem Kraftstoff auf Alkoholbasis betrieben wird, da einige Kraftstoffe auf Alkoholbasis eine geringere Flüchtigkeit aufweisen. Alternativ kann die Einspritzvorrichtung oberhalb und in der Nähe des Einlassventils angeordnet sein, um das Mischen zu verbessern. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 aus einem Kraftstofftank des Kraftstoffsystems 8 über eine Hochdruckkraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler zugeführt werden. Ferner kann der Kraftstofftank einen Druckwandler aufweisen, der der Steuerung 12 ein Signal bereitstellt.
  • Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170 ist in einer Auslegung, die sogenannte Kraftstoffeinspritzung mit einer Düse pro Einlasskanal (port fuel injection; nachfolgend als „PFI“ bezeichnet) in den Einlasskanal stromaufwärts von dem Zylinder 14 bereitstellt, in dem Ansaugkanal 146 statt in dem Zylinder 14 angeordnet gezeigt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170 kann aus dem Kraftstoffsystem 8 aufgenommenen Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW-2, das von der Steuerung 12 über den elektronischen Treiber 171 empfangen wird, einspritzen. Es ist zu beachten, dass ein einzelner Treiber 168 oder 171 für beide Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet werden kann oder wie dargestellt mehrere Treiber, zum Beispiel der Treiber 168 für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 166 und der Treiber 171 für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 170, verwendet werden können.
  • In einem alternativen Beispiel kann jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 als Direktkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder 14 ausgelegt sein. In noch einem anderen Beispiel kann jede der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 als Einlasskanalkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff stromaufwärts von dem Einlassventil 150 ausgelegt sein. In noch anderen Beispielen kann der Zylinder 14 nur eine einzelne Kraftstoffeinspritzvorrichtung beinhalten, die dazu ausgelegt ist, unterschiedliche Kraftstoffe in variierenden relativen Mengen als Kraftstoffgemisch aus den Kraftstoffsystemen aufzunehmen, und die ferner dazu ausgelegt ist, dieses Kraftstoffgemisch entweder als Direktkraftstoffeinspritzvorrichtung direkt in den Zylinder oder als Einlasskanalkraftstoffeinspritzvorrichtung stromaufwärts von den Einlassventilen einzuspritzen. Demnach versteht es sich, dass die hier beschriebenen Kraftstoffsysteme nicht durch die hier beispielhaft beschriebenen konkreten Auslegungen von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen beschränkt sein sollen.
  • Kraftstoff kann dem Zylinder während eines einzelnen Zyklus des Zylinders durch beide Einspritzvorrichtungen zugeführt werden. Zum Beispiel kann jede Einspritzvorrichtung einen Teil einer Kraftstoffgesamteinspritzung bereitstellen, der in dem Zylinder 14 verbrannt wird. Ferner können/kann die Verteilung und/oder die relative Menge des Kraftstoffs, der von jeder Einspritzvorrichtung zugeführt wird, mit Betriebsbedingungen, wie etwa Motorlast, Klopfen und Abgastemperatur, wie hier nachstehend beschrieben, variieren. Der in den Einlasskanal eingespritzte Kraftstoff kann während eines Ereignisses mit geöffnetem Einlassventil, eines Ereignisses mit geschlossenem Einlassventil (z. B. im Wesentlichen vor dem Ansaugtakt) sowie während eines Betriebs bei sowohl offenem als auch geschlossenem Einlassventil zugeführt werden. Gleichermaßen kann direkt eingespritzter Kraftstoff zum Beispiel während eines Ansaugtakts sowie teilweise während eines vorhergehenden Ausstoßtakts, während des Ansaugtakts und teilweise während des Verdichtungstakts zugeführt werden. Demnach kann selbst bei einem einzelnen Verbrennungsereignis eingespritzter Kraftstoff zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus der Einlasskanal- und Direkteinspritzvorrichtung eingespritzt werden. Außerdem können bei einem einzelnen Verbrennungsereignis mehrere Einspritzungen des abgegebenen Kraftstoffs pro Zyklus durchgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Verdichtungstakts, Ansaugtakts oder einer beliebigen geeigneten Kombination daraus durchgeführt werden.
  • Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 166 und 170 können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören Unterschiede in Bezug auf die Größe; zum Beispiel kann eine Einspritzvorrichtung eine größere Einspritzöffnung als die andere aufweisen. Zu anderen Unterschieden gehören unter anderem unterschiedliche Spritzwinkel, unterschiedliche Betriebstemperaturen, unterschiedliche Zielausrichtungen, unterschiedliche Einspritzzeitpunkte, unterschiedliche Spritzeigenschaften, unterschiedliche Positionen etc. Darüber hinaus können in Abhängigkeit von dem Verteilungsverhältnis des eingespritzten Kraftstoffs zwischen den Einspritzvorrichtungen 170 und 166 unterschiedliche Wirkungen erzielt werden.
  • Kraftstofftanks in dem Kraftstoffsystem 8 können Kraftstoffe unterschiedlicher Arten enthalten, wie etwa Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften und unterschiedlichen Kraftstoffzusammensetzungen. Zu den Unterschieden können unterschiedliche Alkoholgehalte, unterschiedliche Wassergehalte, unterschiedliche Oktanzahlen, unterschiedliche Verdampfungswärmen, unterschiedliche Kraftstoffgemische und/oder Kombinationen daraus etc. gehören. Ein Beispiel für Kraftstoffe mit unterschiedlichen Verdampfungswärmen könnte Benzin als erste Kraftstoffart mit einer niedrigeren Verdampfungswärme und Ethanol als zweite Kraftstoffart mit einer größeren Verdampfungswärme beinhalten. In einem anderen Beispiel kann der Motor Benzin als erste Kraftstoffart und ein alkoholhaltiges Kraftstoffgemisch, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol und zu 15 % aus Benzin besteht) oder M85 (das ungefähr zu 85 % aus Methanol und zu 15 % aus Benzin besteht), als zweite Kraftstoffart verwenden. Zu weiteren möglichen Stoffen gehören Wasser, Methanol, ein Gemisch aus Alkohol und Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Methanol, ein Gemisch aus Alkoholen etc.
  • In noch einem anderen Beispiel kann es sich ferner bei beiden Kraftstoffen um Alkoholgemische mit variierender Alkoholzusammensetzung handeln, wobei die erste Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer niedrigeren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E10 (das ungefähr zu 10 % aus Ethanol besteht), während die zweite Kraftstoffart ein Benzin-Alkohol-Gemisch mit einer höheren Alkoholkonzentration sein kann, wie etwa E85 (das ungefähr zu 85 % aus Ethanol besteht). Zusätzlich können sich der erste und der zweite Kraftstoff zudem in Bezug auf weitere Kraftstoffeigenschaften unterscheiden, wie etwa einen Unterschied hinsichtlich der Temperatur, Viskosität, Oktanzahl etc. Darüber hinaus können die Kraftstoffeigenschaften eines oder beider Kraftstofftanks häufig variieren, zum Beispiel aufgrund täglicher Schwankungen beim Auffüllen des Tanks.
  • Die Steuerung 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 106, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 108, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als nichtflüchtiger Festwertspeicherchip 110 zum Speichern ausführbarer Anweisungen gezeigt ist, Direktzugriffsspeicher 112, Keep-Alive-Speicher 114 und einen Datenbus beinhaltet. Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktoren aus 1 ein, um den Motorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signale und Anweisungen, die auf einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, einzustellen. Zum Beispiel kann die Steuerung 12 zusätzlich zu den zuvor erörterten Signalen verschiedene Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich der Messung von eingeleitetem Luftmassenstrom (mass air flow - MAF) von einem Luftmassenstromsensor 122; der Motorkühlmitteltemperatur (engine coolant temperature - ECT) von einem Temperatursensor 116, der an eine Kühlhülse 118 gekoppelt ist; eines Profilzündungsaufnahmesignals (profile ignition pickup - PIP) von einem Hall-Effekt-Sensor 120 (oder einer anderen Art), der an die Kurbelwelle 140 gekoppelt ist; der Drosselposition (throttle position - TP) von einem Drosselpositionssensor; und eines Krümmerabsolutdrucksignals (manifold absolute pressure - MAP) von einem Sensor 124. Die Steuerung kann den Motorbetrieb (z. B. Zündzeitpunkt) über die Betätigung der Zündkerze 192, Ventilaktoren 152 und 154, Drossel 162 etc. einstellen. Ein Motordrehzahlsignal, RPM, kann durch die Steuerung 12 aus dem PIP-Signal erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Angabe von Vakuum oder Druck in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Die Steuerung 12 kann eine Motortemperatur (z. B. eine Betriebstemperatur des Kolbens) auf Grundlage einer Motorkühlmitteltemperatur ableiten.
  • Wie vorstehend beschrieben, zeigt 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Demnach kann jeder Zylinder gleichermaßen seinen eigenen Satz Einlass-/Auslassventile, Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en), Zündkerze etc. beinhalten. Es versteht sich, dass der Motor 10 jede geeignete Anzahl von Zylindern, einschließlich 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 oder mehr Zylinder, beinhalten kann. Ferner kann jeder dieser Zylinder einige oder alle der verschiedenen Komponenten beinhalten, die in 1 unter Bezugnahme auf den Zylinder 14 beschrieben und abgebildet sind.
  • 2 zeigt ein Beispiel für einen auf Druck reagierenden Kolben 200 eines Motors, der dem durch 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen Kolben 138 ähnelt. Der Kolben 200 ist durch eine erste Ansicht 202 und eine zweite Ansicht 204 im Querschnitt gezeigt. Die erste Ansicht 202 zeigt eine obere Wand 210 des Kolbens in einer ersten Position (z. B. Ausgangsposition), in der ein mit der oberen Wand 210 gekoppelter Balg 228 (z. B. eine Balgdichtung) vollständig komprimiert ist, und die zweite Ansicht 204 zeigt die obere Wand 210 in einer zweiten Position, in der der Balg 228 teilweise erweitert (z. B. expandiert) ist.
  • Der Kolben 200 beinhaltet einen Boden 212, einen Schaft 214 und eine Basis 215. Der Boden 212 bildet eine Außenfläche des Kolbens und eine untere Fläche einer Brennkammer 203 (z. B. ähnlich der durch 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen Brennkammer 14), in der der Kolben angeordnet ist. Der Boden 212 beinhaltet eine mittige Aussparung 211 (z. B. Öffnung), die so geformt ist, dass sie einen Außenumfang der oberen Wand 210 umgibt. Die obere Wand 210 ist mittig innerhalb des Bodens 212 angeordnet und in einer Richtung einer Mittelachse 206 des Kolbens 200 bewegbar. Die obere Wand 210 ist über den Balg 228 an den Boden 212 gekoppelt, und der Balg 228 kann expandieren oder sich zusammenziehen, um die obere Wand 210 in Bezug auf den Boden 212 und die Basis 215 zu bewegen, wie nachstehend näher beschrieben. Der Balg 228 erstreckt sich zwischen einer Innenfläche 219 des Bodens und einer Erweiterung 217 der oberen Wand 210. In einigen Beispielen kann der Balg 228 aus einem flexiblen Material (z. B. einem Elastomer) ausgebildet sein. In anderen Beispielen kann der Balg 228 aus einem Metall (z. B. Stahl) ausgebildet sein. In einigen Beispielen kann eine obere Fläche 224 der oberen Wand 210 eine Mulde 222 beinhalten, die von der oberen Fläche 224 vertieft ist und so geformt ist, dass eine Strömung von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff geändert (z. B. abgelenkt) wird. Alternative Ausführungsformen können die Mulde 222 nicht beinhalten. Die obere Fläche 224 (die hier als eine Außenfläche bezeichnet werden kann) der oberen Wand 210 bildet eine untere Fläche der Brennkammer 203.
  • Der Kolben 200 ist über eine Pleuelstange 216 mit einer Kurbelwelle des Motors gekoppelt. Ein zylindrischer Abschnitt 218 der Pleuelstange 216 umgibt ein Lager 238 des Kolbens 200 und ermöglicht, dass eine Linearbewegung des Kolbens 200 innerhalb der Brennkammer über die Pleuelstange 216 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle des Motors umgewandelt wird. Die obere Wand 210 des Kolbens ist in einer Richtung weg von der Basis 215 und weg von der Pleuelstange 216 positioniert.
  • Die Basis 215 des Kolbens 200 beinhaltet ein hohles Inneres 220 (das hier als ein Hohlraum oder eine Kammer bezeichnet werden kann). Das Innere 220 enthält ein Gas (z. B. Luft) und ist abgedichtet (z. B. fluiddicht), sodass Gas nicht aus dem Inneren 220 in die Brennkammer oder andere Bereiche des Motors strömen kann (z. B. vermischt sich Gas aus dem Inneren 220 nicht mit Gasen innerhalb der Brennkammer und/oder konvergiert nicht mit diesen). Das Innere 220 ist teilweise durch eine untere Fläche 226 der oberen Wand 210 ausgebildet, und das Gas innerhalb des Inneren 220 übt eine Vorspannkraft gegen die untere Fläche 226 aus, um die Wand in eine Richtung weg von der Basis 215 und entlang der Mittelachse 206 zu drücken (z. B. in Richtung einer Oberseite der Brennkammer). Wenn die obere Wand 210 von der Basis 215 weg gedrückt wird, wird der Balg 228 zwischen der oberen Wand 210 und dem Boden 212 komprimiert. Die erste Ansicht 202 zeigt eine Position der oberen Wand 210 als Reaktion auf einen niedrigeren Druck 230 von Gasen innerhalb der Brennkammer 203 gegen die obere Wand 210, und die zweite Ansicht 204 zeigt eine Position der oberen Wand 210 als Reaktion auf einen höheren Druck 232 von Gasen innerhalb der Brennkammer 203 gegen die obere Wand 210. In einem Beispiel kann der niedrigere Druck 230 ein Druck von Gasen sein, wenn der Kolben 200 einen ersten Abstand von einer oberen Totpunktposition innerhalb der Brennkammer entfernt ist, und der hohe Druck 232 kann ein Druck von Gasen sein, wenn der Kolben 200 einen zweiten Abstand von der oberen Totpunktposition entfernt ist, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand ist.
  • Die erste Ansicht 202 zeigt den Balg 228 in einer vollständig komprimierten Position, und die zweite Ansicht 204 zeigt den Balg 228 in einer vollständig expandierten Position. In der vollständig komprimierten Position ist eine Länge 234 des Balgs 228 in einer Richtung parallel zu der Mittelachse 206 in Bezug auf eine Länge 236 des Balgs in der Richtung parallel zu der Mittelachse 206, wenn sich der Balg in der vollständig expandierten Position befindet, erhöht. Der Balg 228 kann aus der durch die erste Ansicht 202 gezeigten vollständig komprimierten Position heraus und in die durch die zweite Ansicht 204 gezeigte vollständig expandierte Position bewegt werden, indem ein Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer 203 über einen Druck von Gas innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 erhöht wird. Gleichermaßen kann der Balg 228 aus der vollständig expandierten Position in die vollständig komprimierte Position bewegt werden, indem der Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer unter einen Druck von Gas innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 verringert wird. In einem Beispiel kann der Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer 203 während der Verbrennung eines Luft-/Kraftstoff-Gemischs innerhalb der Brennkammer 203 erhöht werden, und der Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer 203 kann während eines Ausstoßtakts eines Verbrennungszyklus der Brennkammer 203 verringert werden (z. B. während einer Dauer, bei der Gase über Betätigung eines innerhalb der Brennkammer angeordneten Auslassventils aus der Brennkammer abgeführt werden, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben). Der Balg 228 kann zusätzlich in eine Vielzahl von Positionen zwischen der vollständig komprimierten Position und der vollständig expandierten Position bewegt werden. Die Vielzahl von Positionen kann hier als Übergangspositionen, teilweise komprimierte Positionen oder teilweise expandierte Positionen bezeichnet werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Länge 234 des Balgs 228 in der vollständig komprimierten Position ein anderes Längenausmaß sein als das durch die erste Ansicht 202 gezeigte, und/oder die Länge 236 des Balgs 228 in der vollständig expandierten Position kann ein anderes Längenausmaß sein als das durch die zweite Ansicht 204 gezeigte. Eine Position der oberen Wand 210 unter Bedingungen, bei denen sich der Balg 228 in der vollständig komprimierten Position befindet, kann hier als vollständig erweiterte Position der oberen Wand 210 bezeichnet werden, und eine Position der oberen Wand 210 unter Bedingungen, bei denen sich der Balg 228 in der vollständig expandierten Position befindet, kann hier als vollständig eingezogene Position der oberen Wand 210 bezeichnet werden.
  • Ein Betrag einer Vorspannkraft, die wie vorstehend beschrieben durch das Gas innerhalb der Basis 215 auf die obere Wand 210 angewendet wird, variiert mit einer Temperatur des Gases. Das Gas innerhalb der Basis 215 kann als ideales Gas modelliert sein, wobei sein Druck durch die allgemeine Gasgleichung P = n R T V
    Figure DE102018104078A1_0001
    definiert ist, wobei P der Druck von Gas innerhalb der Basis 215 ist, V ein Volumen des Inneren 220 der Basis ist, n eine innerhalb der Basis 215 enthaltene Gasmenge in Moleinheiten ist, R die universelle Gaskonstante (ungefähr 8 ,3144598 J o u l e M o l · K e l v i n
    Figure DE102018104078A1_0002
    ) ist und T eine Temperatur des innerhalb der Basis 215 enthaltenen Gases ist. Wenn sich eine Temperatur des Gases innerhalb der Basis 215 ändert, können sich der Druck und/oder das Volumen des Gases ebenfalls gemäß der allgemeinen Gasgleichung ändern. Zum Beispiel kann sich die obere Wand 210 in der durch die erste Ansicht 202 gezeigten Position befinden, in der sich der Balg 228 in der vollständig komprimierten Position befindet (z. B. auf die Länge 234 komprimiert ist), und Motorbetriebsbedingungen (z. B. Motorlast, Drehzahl etc.) können zu einer Übertragung von Wärme von dem Motor an den Kolben 200 und das innerhalb der Basis 215 enthaltene Gas führen. Infolgedessen kann die Temperatur des innerhalb der Basis 215 enthaltenen Gases zunehmen. Da sich die obere Wand 210 in der vollständig erweiterten Position befindet, wird verhindert, dass sich die obere Wand 210 von der Basis 215 weg bewegt, und erhöht sie nicht das Volumen des Inneren 220 der Basis, wenn die Temperatur des Gases zunimmt. Das Erhöhen der Temperatur des Gases innerhalb der Basis 215, ohne das Volumen des Gases innerhalb der Basis 215 zu erhöhen, führt dadurch zu einem erhöhten Druck des Gases. Der erhöhte Druck des Gases erhöht die Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand 210 und erhöht ein Ausmaß von Gasdruck innerhalb der Brennkammer 203, der dazu notwendig ist, die obere Wand 210 in Richtung der Basis 215 (z. B. weg von der vollständig erweiterten Position und in Richtung der vollständig eingezogenen Position) zu bewegen.
  • In einem anderen Beispiel kann sich die obere Wand 210 in der durch die erste Ansicht 202 gezeigten vollständig erweiterten Position befinden, wobei sich der Balg 228 in der vollständig komprimierten Position befindet. Eine Temperatur von Gas innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 kann zum Beispiel aufgrund einer reduzierten Drehzahl und/oder Last des Motors reduziert werden. Wärme kann von dem Kolben 200 an andere Komponenten des Motors (z. B. Zylinderwände) und/oder Abgase, die aus der Brennkammer ausströmen, übertragen werden, wodurch der Kolben gekühlt wird. Wenn die Temperatur des Gases innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 abnimmt, kann der Druck des Gases ebenfalls gemäß der allgemeinen Gasgleichung abnehmen. Infolgedessen wird die Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 gegen die obere Wand 210 reduziert, und ein Ausmaß von Gasdruck innerhalb der Brennkammer 203, der dazu notwendig ist, die obere Wand 210 in Richtung der Basis 215 (z. B. weg von der vollständig erweiterten Position und in Richtung der vollständig eingezogenen Position) zu bewegen, wird gleichermaßen reduziert. Das Gas innerhalb der Basis 215 spannt dadurch die obere Wand 210 derart in eine Richtung weg von der Basis 215 vor, dass die obere Wand 210 als Reaktion auf Änderungen des Gasdrucks innerhalb der Brennkammer 203 ein federähnliches Verhalten aufweist. Zum Beispiel kann die Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 gegen die obere Wand 210 gemäß dem Hookeschen Gesetz F=-Kx wirken, wobei F die Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 gegen die obere Wand 210 ist, x ein Ausmaß der Verschiebung der oberen Wand 210 in Bezug auf die Basis 215 aus einer Ausgangsposition (z. B. der durch die erste Ansicht 202 gezeigten vollständig erweiterten Position) ist und K ein Modifikatorwert in Abhängigkeit von der Temperatur des Gases innerhalb der Basis 215 gemäß der allgemeinen Gasgleichung ist (wobei z. B. höhere Temperaturen von Gas innerhalb der Basis 215 zu einem erhöhten Wert für K führen und niedrigere Temperaturen von Gas innerhalb der Basis 215 zu einem verringerten Wert für K führen).
  • Da der Druck des Gases innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 den Betrag der Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand 210 bestimmt und da der Druck des Gases innerhalb der Basis 215 bei unterschiedlichen Temperaturen gemäß der allgemeinen Gasgleichung variiert, kann sich ein Ausmaß der Bewegung der oberen Wand 210 in Bezug auf die Basis 215 als Reaktion auf einen Gasdruck innerhalb der Brennkammer 203 für unterschiedliche Kolbenbetriebstemperaturen unterscheiden. Zum Beispiel kann die Vorspannkraft gegen die obere Wand 210 bei niedrigeren Kolbenbetriebstemperaturen (z. B. im Anschluss an einen Kaltstart des Motors, wenn der Motor aus einem nicht betriebsfähigen Modus, bei dem kein Kraftstoff-/Luft-Gemisch durch Motorzylinder verbrannt wird, in einen betriebsfähigen Modus, bei dem Kraftstoff-/Luft-Gemisch durch Motorzylinder verbrannt wird, eingestellt wird) relativ geringer sein. Infolgedessen kann die obere Wand 210 durch relativ niedrigere Gasdrücke innerhalb der Brennkammer 203 in Richtung der Basis 215 des Kolbens 200 bewegt werden. In einem Beispiel kann ein mittlerer Gasdruck in der Brennkammer für eine Dauer im Anschluss an einen Kaltstart des Motors 0,7-1,5 bar betragen. Eine Klopfwahrscheinlichkeit ist normalerweise unter Bedingungen, bei denen der mittlere Gasdruck in der Brennkammer (über einen oder mehrere aufeinanderfolgende Verbrennungszyklen gebildete Durchschnitt des Drucks) weniger als 5 bar beträgt, verringert. Infolgedessen kann die Basis 215 dazu ausgelegt sein, bei niedrigeren Kolbenbetriebstemperaturen für die Dauer im Anschluss an einen Kaltstart Gas mit einem Druck über 1,5 bar (zum Beispiel) zu enthalten, sodass es nicht zu einer Ablenkung der oberen Wand 210 kommt. Gleichermaßen kann die Vorspannkraft gegen die oberen Wand 210 während höherer Kolbenbetriebstemperaturen (z. B. unter Bedingungen mit höherer Motorlast als bei Bedingungen unmittelbar im Anschluss an einen Kaltstart) relativ höher sein. Infolgedessen kann die obere Wand 210 durch relativ geringe Gasdrücke innerhalb der Brennkammer 203 nicht in Richtung der Basis 215 des Kolbens 200 bewegt werden und sich stattdessen als Reaktion auf relativ höhere Gasdrücke innerhalb der Brennkammer 203 bewegen. Zum Beispiel kann der Kolben dazu ausgelegt sein, unter Bedingungen, bei denen die Kolbenbetriebstemperatur höher ist, Gas mit einem Druck knapp unter 5 bar zu enthalten. Da eine Klopfwahrscheinlichkeit für Bedingungen, unter denen der mittlere Gasdruck in der Brennkammer mehr als 5 bar beträgt, erhöht ist, kann das Auslegen des Kolbens auf diese Art und Weise ermöglichen, dass die obere Wand 210 des Kolbens bei höheren Kolbenbetriebstemperaturen abgelenkt wird, um Klopfen zu reduzieren.
  • Eine Steuerung (z. B. die durch 1 gezeigte und vorstehend beschriebene Steuerung) kann eine Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 des Kolbens 200 gegen die obere Wand 210 des Kolbens 200 schätzen, um einen Zündzeitpunkt der Brennkammer einzustellen (z. B. einen Zeitpunkt für die Zündfunkenentladung einer Zündkerze, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist). In einem Beispiel kann die Steuerung elektrische Signale von einem oder mehreren Motortemperatursensoren (z. B. einem Abgastemperatursensor, Motorkühlmitteltemperatursensor, Motoröltemperatur etc.) empfangen und auf Grundlage von Logikregeln, die eine Funktion der Abgastemperatur, Motoröltemperatur und/oder Motorkühlmitteltemperatur sind, eine logische Bestimmung hinsichtlich der Schätzung der Vorspannkraft (z. B. aufgrund der Temperatur des Gases innerhalb des Kolbens) vornehmen. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung die Temperatur des Gases innerhalb des Kolbens (und die Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand des Kolbens) über die Abgastemperatur, Motoröltemperatur und/oder Motorkühlmitteltemperatur schätzen. Die Steuerung kann dann ein Steuersignal erzeugen, das an die Zündkerze (z. B. einen Aktor der Zündkerze) gesendet wird, um den Zeitpunkt der Zündfunkenentladung der Zündkerze einzustellen. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung eine Amplitude, Dauer und/oder Frequenz von Signalen von den Motortemperatursensoren mit Werten vergleichen, die in einer Lookup-Tabelle in nichtflüchtigem Computerspeicher der Steuerung gespeichert sind, um die Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens zu schätzen und den Zündzeitpunkt als Reaktion auf die Vorspannkraft einzustellen. Die Steuerung kann die Vorspannkraft auf Grundlage einer Berechnung unter Verwendung der Lookup-Tabelle schätzen, wobei zum Beispiel die Eingabe die Motorkühlmitteltemperatur ist und die Ausgabe die Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens ist.
  • Als ein Beispiel für den Betrieb des Kolbens kann der Zündzeitpunkt der Brennkammer um ein erstes Ausmaß eingestellt (z. B. nach früh oder spät verstellt) werden, wenn die geschätzte Vorspannkraft (die z. B. wie vorstehend beschrieben geschätzt wird) des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens unter einer Schwellenvorspannkraft liegt. Der Zündzeitpunkt der Brennkammer kann um ein zweites Ausmaß, das sich von dem ersten Ausmaß unterscheidet, eingestellt werden, wenn die geschätzte Vorspannkraft über der Schwellenvorspannkraft liegt. In einem Beispiel kann die Schwellenvorspannkraft eine durchschnittliche Vorspannkraft des Kolbens bei typischen Kolbenbetriebstemperaturen sein (z. B. unter Bedingungen, bei denen die Motorlast über der Leerlaufmotorlast und unter der maximalen Motorlast liegt). Zum Beispiel kann eine in nichtflüchtigem Speicher der Steuerung gespeicherte Lookup-Tabelle Kurbelwinkel, Gasdruck in der Brennkammer und geschätzte Vorspannkraft von Gas innerhalb des Kolbens als Eingaben beinhalten, wobei der Zündzeitpunkt eine Ausgabe darstellt. Bei einem Spitzengasdruck in der Brennkammer kann die obere Wand des Kolbens in Richtung der Basis abgelenkt werden, wodurch über Verdichtung des Gases innerhalb der Basis mechanische Energie in dem Kolben gespeichert wird. Wenn der Gasdruck in der Brennkammer unter den Spitzendruck abnimmt (z. B. nahe einem Ende eines Arbeitstakts der Brennkammer), wird die gespeicherte mechanische Energie über Ausdehnung des Gases innerhalb des Kolbens freigesetzt und die obere Wand von der Basis weg abgelenkt. Der Zündzeitpunkt kann so eingestellt werden, dass die Freisetzung der gespeicherten mechanischen Energie bei einem Kurbelwellenwinkel stattfindet, der ein höheres Ausmaß an Motordrehmoment erzeugt als andere Kurbelwellenwinkel. Typischerweise wird der Zündzeitpunkt so festgelegt, dass es zu Spitzengasdrücken in der Brennkammer kommt, wenn der Kurbelwellenwinkel ungefähr 15 Grad nach dem oberen Totpunkt beträgt, um ein höheres Ausmaß an Motordrehmoment zu erzeugen. Aufgrund der variierenden Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens während unterschiedlicher Motorbetriebsbedingungen kann sich das Spitzenmotordrehmoment jedoch ergeben, wenn es bei einer anderen Größe des Kurbelwellenwinkels zu Spitzengasdrücken in der Brennkammer kommt. Infolgedessen wird der Zündzeitpunkt auf Grundlage der Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens erhöht oder verringert, um das durch den Motor erzeuge Ausmaß an Drehmoment zu erhöhen.
  • In anderen Beispielen kann der Zündzeitpunkt auf Grundlage einer Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff und der Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens eingestellt werden. Zum Beispiel kann der Zündzeitpunkt der Brennkammer um ein erstes Ausmaß eingestellt (z. B. nach früh oder spät verstellt) werden, wenn die geschätzte Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens niedriger ist (z. B. wie vorstehend beschrieben geschätzt), und ferner auf Grundlage der Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff um ein zweites Ausmaß eingestellt werden. Der Zündzeitpunkt der Brennkammer kann um ein drittes Ausmaß eingestellt werden, das sich von dem ersten Ausmaß unterscheidet, wenn die geschätzte Vorspannkraft höher ist, und ferner auf Grundlage der Oktanzahl des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs um ein viertes Ausmaß eingestellt werden. Zusätzliche Beispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf FIG. 3-4 näher beschrieben.
  • In einigen Beispielen kann der Motor eine Vielzahl von Motorölzerstäubern beinhalten, die vertikal unter dem Kolben 200 positioniert sind (z. B. außerhalb der Brennkammer 203 und in Richtung der Kurbelwelle positioniert) und dazu ausgelegt sind, Motorölstrahlen in einer Aufwärtsrichtung in Richtung der Basis 215 des Kolbens 200 zu sprühen. Das aus den Zerstäubern gesprühte Öl kann auf eine untere Außenfläche 259 der Basis 215 auftreffen, um Wärmeenergie aus dem Kolben 200 zu absorbieren und eine Temperatur des Kolbens 200 zu reduzieren (z. B. um den Kolben zu kühlen). Ein Öldurchsatz aus den Motorölzerstäubern kann durch die Steuerung eingestellt werden, um das Ausmaß der Kühlung des Kolbens 200 zu erhöhen oder zu verringern. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung die Temperatur des Kolbens 200 einstellen, um den Betrag der Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 gegen die obere Wand 210 des Kolbens 200 einzustellen. Zum Beispiel kann die Steuerung unter Bedingungen, bei denen die Motorlast niedriger ist (z. B. während Motorleerlauf) und eine Temperatur des Kolbens 200 höher ist (z. B. aufgrund einer Erwärmung des Kolbens 200 infolge eines längeren Zeitraums mit höherer Motorlast unmittelbar vor dem Motorleerlauf), den Öldurchsatz aus den Motorölzerstäubern erhöhen, um die Temperatur des Kolbens 200 zu reduzieren und dadurch die geschätzte Vorspannkraft des Gases innerhalb der Basis 215 gegen die obere Wand 210 zu erhöhen. Zusätzlich kann die Steuerung den Zündzeitpunkt auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft wie vorstehend beschrieben einstellen. Durch Einstellen des Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft und Einstellen der geschätzten Vorspannkraft durch Erhöhen oder Verringern des Öldurchsatzes aus den Motorölzerstäubern kann die Motordrehmomentabgabe mit erhöhter Präzision gesteuert werden und eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert werden.
  • 3 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Einstellen des Motorbetriebs als Reaktion auf Zustände eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb einer Brennkammer des Motors angeordnet ist. Insbesondere kann es sich bei dem nachstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Kolben um den vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Kolben 200 handeln (z. B. einen Kolben, der eine obere Wand beinhaltet, die durch innerhalb einer abgedichteten Basis enthaltenes Gas vorgespannt ist), und der Motor kann dem vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Motor ähneln. In dem durch 3 gezeigten und nachstehend beschriebenen Beispiel wird ein Zündzeitpunkt der Brennkammer als Reaktion auf eine geschätzte Vorspannkraft von innerhalb des Kolbens enthaltenem Gas gegen die obere Wand (z. B. die Wand, die einem Inneren der Brennkammer zugewandt ist und eine untere Fläche der Brennkammer bildet) des Kolbens eingestellt. In alternativen Ausführungsformen kann ein anderer Motorparameter (z. B. Motordrehzahl, Motorkühlmittelstrom, Ansaugluftstrom, Ladeluftmenge etc.) als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft eingestellt werden. Obwohl nachstehend unter Bezugnahme auf das durch 3 gezeigte Verfahren 300 eine einzelne Brennkammer beschrieben ist, können die nachstehend beschriebenen Routinen auf mehrere Brennkammern des Motors angewendet werden. Zum Beispiel kann die Steuerung gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfahren 300 den Betrieb (z. B. Zündzeitpunkt) von einer oder mehreren Brennkammern des Motors unabhängig von anderen Brennkammern des Motors einstellen. In einem anderen Beispiel kann gemäß dem Verfahren 300 der Betrieb jeder Brennkammer des Motors um das gleiche Ausmaß eingestellt werden. In noch einem anderen Beispiel kann der Betrieb von einer von mehreren Brennkammern um ein anderes Ausmaß eingestellt werden als jede andere Brennkammer des Motors. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 und der verbleibenden hier beinhalteten Verfahren können durch eine Steuerung auf Grundlage von auf einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Fahrzeugsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa den vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren einzustellen. Zum Beispiel kann die Steuerung den Zündzeitpunkt der Brennkammer durch Einstellen einer Zündfunkenentladung einer Zündkerze, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, einstellen (z. B. Einstellen einer Frequenz, Dauer etc. von elektrischen Signalen, die an die Zündkerze übertragen werden).
  • Bei 302 beinhaltet das Verfahren Schätzen und/oder Messen von Motorbetriebsbedingungen. Die Motorbetriebsbedingungen können auf Grundlage einer oder mehrerer Ausgaben verschiedener Sensoren in dem Motorsystem geschätzt werden (wie z. B. verschiedener Temperatursensoren, Drucksensoren etc., wie vorstehend beschrieben). Zu den Motorbetriebsbedingungen können Motordrehzahl und -last, Abgasdurchsatz, Luftmassendurchsatz, Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldurchsatz etc. gehören. Die Betriebsbedingungen können zudem die Betriebsbedingungen des Kolbens und/oder der Brennkammer beinhalten (z. B. Zündzeitpunkt, Kolbenbetriebstemperatur etc.).
  • Das Verfahren fährt bei 304 fort, wo das Verfahren Bestimmen eines Klopfausmaßes des Motors beinhaltet. In einem Beispiel kann das Klopfausmaß auf Grundlage von Signalen, die von einem Motorklopfsensor empfangen werden, durch die Steuerung bestimmt werden. In einem anderen Beispiel kann das Klopfausmaß auf Grundlage von einer oder mehreren Motorbetriebsbedingungen geschätzt werden, wie etwa Schwankungen bei der Motordrehmomentabgabe, NOx-Gehalt innerhalb des Abgases etc. In einem Beispiel kann das Klopfausmaß eine Klopfrate sein, wobei die Klopfrate einer Anzahl entspricht, wie häufig die Amplitude eines durch die Steuerung empfangenen Klopfsignals innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer (z. B. eines oder mehrerer abgeschlossener und aufeinanderfolgender Verbrennungszyklen eines Motors) eine Schwellenamplitude übersteigt. In einem anderen Beispiel kann das Klopfausmaß eine Klopfintensität sein, wobei die Klopfintensität einer Amplitude eines durch die Steuerung empfangenen Klopfsignals entspricht. Die Amplitude des Klopfsignals kann einen Druck von Verbrennungsgasen innerhalb der Brennkammer angeben. In noch anderen Beispielen kann das Klopfausmaß eine Kombination aus der Klopfrate und der Klopfintensität sein.
  • Während des Motorbetriebs kann das Verfahren 300 mehrmals nacheinander durch die Steuerung ausgeführt (z. B. durchgeführt) werden. Die Steuerung kann ein mit jeder Ausführung des Verfahren 300 assoziiertes Klopfausmaß zur Bezugnahme zu einem späteren Zeitpunkt in einem nichtflüchtigen Computerspeicher speichern. Während der Ausführung des Verfahrens 300 bestimmt die Steuerung bei 304 das Klopfausmaß für die jüngste Dauer des Motorbetriebs (z. B. einen jüngsten Verbrennungszyklus der Brennkammer), die hier als erste Dauer oder aktuelle Dauer bezeichnet wird. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 314 beschrieben, kann das mit der aktuellen Dauer assoziierte Klopfausmaß mit einem mit einer zweiten Dauer (hier als eine vorherige Dauer bezeichnet) assoziierten zweiten Klopfausmaß verglichen werden, das während einer vorherigen Ausführung des Verfahrens 300 bestimmt worden ist, wobei es sich bei der zweiten Dauer um einen Zeitraum unmittelbar vor der aktuellen Dauer handelt (z. B. einen Verbrennungszyklus unmittelbar vor dem jüngsten Verbrennungszyklus). Falls bei 314 kein Klopfausmaß für die vorherige Dauer in dem Computerspeicher gespeichert worden ist (da das Verfahren 300 zum Beispiel zum ersten Mal ausgeführt wird), kann die Steuerung annehmen, dass es bei der vorherigen Dauer nicht zu Klopfen gekommen ist.
  • Das Verfahren fährt bei 306 fort, wo das Verfahren Schätzen einer Vorspannkraft des auf Druck reagierenden Kolbens beinhaltet. Die Vorspannkraft wirkt gegen die obere Wand des Kolbens in der Richtung der Brennkammer, wie vorstehen unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In einem Beispiel kann die Vorspannkraft auf einer geschätzten Betriebstemperatur des Kolbens beruhen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wobei die Betriebstemperatur einem Druck von Gas innerhalb des Kolbens gemäß der allgemeinen Gasgleichung entspricht. In einem anderen Beispiel kann die Vorspannkraft auf einer geschätzten Temperatur eines mechanischen Vorspannelements beruhen, das innerhalb des Kolbens angeordnet ist, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Die Steuerung kann eine Amplitude, Dauer und/oder Frequenz von Signalen von Motortemperatursensoren (z. B. einem Abgastemperatursensor, Motorkühlmitteltemperatursensor, Motoröltemperatursensor etc.) mit Werten vergleichen, die in einer Lookup-Tabelle in nichtflüchtigem Computerspeicher der Steuerung gespeichert sind, um die Vorspannkraft (z. B. die Kraft, die durch Gas innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens ausgeübt wird, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, oder die Kraft, die durch das mechanische Vorspannelement gegen die obere Wand ausgeübt wird, wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben) zu schätzen. Die Steuerung kann die Vorspannkraft auf Grundlage einer Berechnung unter Verwendung der Lookup-Tabelle schätzen, wobei zum Beispiel die Eingabe die Motorkühlmitteltemperatur, Abgastemperatur und/oder Motoröltemperatur ist und die Ausgabe die Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens gegen die obere Wand des Kolbens ist. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung auf Grundlage von Logikregeln, die eine Funktion der Abgastemperatur, Motoröltemperatur und/oder Motorkühlmitteltemperatur sind, eine logische Bestimmung hinsichtlich der Schätzung der Vorspannkraft (z. B. aufgrund der Temperatur des Gases innerhalb des Kolbens) vornehmen. In dem Beispiel für den Kolben, das innerhalb des Kolbens enthaltenes Gas beinhaltet, kann der Druck des Gases innerhalb des Kolbens über die Gleichung F = P/A mit der Vorspannkraft in Beziehung stehen, wobei F die Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand ist, P der Druck von Gas innerhalb des Basis des Kolbens ist und A eine Oberfläche einer unteren Fläche der oberen Wand des Kolbens ist (z. B. der durch 2 gezeigten und vorstehend beschriebenen unteren Fläche 226). In dem Beispiel für den Kolben, das das mechanische Vorspannelement beinhaltet, das gegen die obere Wand des Kolbens vorgespannt ist, kann die Vorspannkraft als F=-Kx ausgedrückt werden, wobei F die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements gegen die obere Wand des Kolbens ist, x ein Ausmaß der Verschiebung der oberen Wand in Bezug auf die Basis aus einer Ausgangsposition (z. B. einer vollständig erweiterten Position) ist und K ein Modifikatorwert (der hier als Federkonstante bezeichnet werden kann) in Abhängigkeit von der Temperatur des mechanischen Vorspannelements (wobei z. B. höhere Temperaturen zu einem verringerten Wert für K führen und niedrigere Temperaturen zu einem erhöhten Wert für K führen) und einer Form und einem Material des mechanischen Vorspannelements ist. In einigen Beispielen kann die Vorspannkraft für einen oder mehrere Takte eines einzelnen Verbrennungszyklus geschätzt werden (z. B. eine erste Vorspannkraft, die mit einem Verdichtungstakt des einzelnen Verbrennungszyklus assoziiert ist, eine zweite Vorspannkraft, die mit einem Expansionstakt des einzelnen Verbrennungszyklus assoziiert ist, etc.). In anderen Beispielen kann die geschätzte Vorspannkraft ein Durchschnittswert für jeden Takt des einzelnen Verbrennungszyklus sein. In noch anderen Beispielen kann die geschätzte Vorspannkraft ein Durchschnittswert über mehrere abgeschlossene Verbrennungszyklen sein.
  • Die geschätzte Vorspannkraft kann zusätzlich auf einer Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff beruhen. Zum Beispiel kann unter Bedingungen, bei denen ein in die Brennkammer eingespritzter Kraftstoff eine niedrigere Oktanzahl (z. B. eine Oktanzahl von 80) aufweist, ein Zündzeitpunkt der Brennkammer in Bezug auf Bedingungen, bei denen Kraftstoff mit einer höheren Oktanzahl in die Brennkammer eingespritzt wird, weniger nach früh verstellt sein. Eine Wärmemenge, die über die Verbrennungsgase an den Kolben übertragen wird, und/oder eine Betriebstemperatur des Kolbens kann deshalb reduziert sein, und in dem Beispiel für den Kolben, das innerhalb der Basis enthaltenes Gas beinhaltet (wie z. B. durch 2 gezeigt), kann die geschätzte Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens verringert sein. In dem Beispiel für den Kolben, das das mechanische Vorspannelement beinhaltet (wie z. B. durch 6 gezeigt), führt Reduzieren der Betriebstemperatur des Kolbens dazu, dass die geschätzte Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements gegen die obere Wand erhöht wird. Unter Bedingungen, bei denen Kraftstoff mit einer höheren Oktanzahl (z. B. einer Oktanzahl von 95) in die Brennkammer eingespritzt wird, kann der Zündzeitpunkt der Brennkammer weiter nach früh verstellt sein (z. B. in Bezug auf Bedingungen, bei denen Kraftstoff mit einer niedrigeren Oktanzahl eingespritzt wird). Dies kann die Wärmemenge, die über die Verbrennungsgase an den Kolben übertragen wird, erhöhen und/oder eine Betriebstemperatur des Kolbens erhöhen, und in dem Beispiel für den Kolben, das innerhalb der Basis enthaltenes Gas beinhaltet (wie z. B. durch 2 gezeigt), kann die geschätzte Vorspannkraft des Gases innerhalb des Kolbens erhöht sein. In dem Beispiel für den Kolben, das das mechanische Vorspannelement beinhaltet (wie z. B. durch 6 gezeigt), führt Erhöhen der Betriebstemperatur des Kolbens dazu, dass die geschätzte Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements gegen die obere Wand verringert wird. Die geschätzte Vorspannkraft kann deshalb auf der Kolbenbetriebstemperatur und einem mit der Oktanzahl des Kraftstoffs assoziierten Ausgangszündzeitpunkt beruhen. In einem Beispiel kann die Vorspannkraft zunächst gemäß der Oktanzahl des Kraftstoffs geschätzt werden und dann kann die geschätzte Vorspannkraft wie vorstehend beschrieben gemäß einer Ausgabe eines oder mehrerer Motortemperatursensoren eingestellt werden. In anderen Beispielen kann die Vorspannkraft über eine in nichtflüchtigem Speicher der Steuerung gespeicherte Lookup-Tabelle geschätzt werden, wobei Kolbenbetriebstemperatur (z. B. auf Grundlage der Kühlmitteltemperatur, Motoröltemperatur und/oder Abgastemperatur bestimmt, wie vorstehend beschrieben) und Oktanzahl des Kraftstoffs Eingaben sind und die Vorspannkraft von innerhalb des Kolbens enthaltenem Gas in Abhängigkeit der Kolbenposition eine Ausgabe ist.
  • Das Verfahren fährt bei 308 fort, wo das Verfahren Bestimmen beinhaltet, ob das aktuelle Klopfausmaß größer als ein Schwellenklopfausmaß ist. In einem Beispiel kann das aktuelle Klopfausmaß eine Klopfrate sein, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 304 beschrieben, und die Steuerung kann die Klopfrate mit einer vorbestimmten Schwellenklopfrate vergleichen. Die vorbestimmte Schwellenklopfrate kann einer Klopfrate entsprechen, bei der zum Beispiel der Motorwirkungsgrad (z. B. der Kraftstoffverbrauch) verringert wird und/oder ein gewünschter Geräuschpegel des Motors überschritten wird. In einem anderen Beispiel kann das aktuelle Klopfausmaß eine Klopfintensität sein, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 304 beschrieben, und die Steuerung kann die Klopfintensität mit einer vorbestimmten Schwellenklopfintensität vergleichen. Gleichermaßen kann die vorbestimmte Schwellenklopfintensität einer Klopfintensität entsprechen, bei der in einem Beispiel der Motorwirkungsgrad verringert wird und/oder ein gewünschter Geräuschpegel des Motors überschritten wird.
  • Falls das aktuelle Klopfausmaß bei 308 nicht größer als das Schwellenklopfausmaß ist, fährt das Verfahren bei 310 fort, wo das Verfahren Bestimmen eines gewünschten Zündzeitpunkts in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage der geschätzten Kolbenvorspannkraft beinhaltet. Die Steuerung kann einen Wert der geschätzten Kolbenvorspannkraft (z. B. wie vorstehend beschrieben ausgehend von den Motortemperatursensoren geschätzt) mit Werten vergleichen, die in einer Lookup-Tabelle in nichtflüchtigem Computerspeicher der Steuerung gespeichert sind, um den gewünschten Zündzeitpunkt zu bestimmen, wobei zum Beispiel die geschätzte Kolbenvorspannkraft eine Eingabe ist und der gewünschte Zündzeitpunkt eine Ausgabe ist. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung eine logische Bestimmung hinsichtlich des gewünschten Zündzeitpunkts auf Grundlage von Logikregeln vornehmen, die von der geschätzten Kolbenvorspannkraft abhängig sind. Unter Bedingungen, bei denen die geschätzte Kolbenvorspannkraft höher ist, kann es weniger wahrscheinlich sein, dass sich die obere Wand des Kolbens als Reaktion auf typische Verbrennungsgasdrücke innerhalb der Brennkammer bewegt. Zum Beispiel kann die geschätzte Kolbenvorspannkraft höher als eine durchschnittliche Kolbenvorspannkraft sein, die mit Kolbenbetriebstemperaturen bei Motorleerlaufbedingungen assoziiert ist. Die verringerte Wahrscheinlichkeit, dass sich die obere Wand des Kolbens bewegt, kann in Bezug auf Bedingungen, unter denen die obere Wand des Kolbens einfacher bewegt wird (z. B. unter Bedingungen, bei denen die geschätzte Kolbenvorspannkraft geringer ist), zu einem erhöhten Verdichtungsverhältnis der Brennkammer führen. In einem Beispiel unter Bezugnahme auf den durch 2 gezeigten und vorstehend beschriebenen Kolben kann die geschätzte Kolbenvorspannkraft aufgrund einer relativ höheren Betriebstemperatur des Kolbens (z. B. in Bezug auf eine Kolbenbetriebstemperatur unter Motorleerlaufbedingungen) höher sein oder aufgrund einer relativ niedrigen Betriebstemperatur des Kolbens (z. B. in Bezug eine Kolbenbetriebstemperatur unter Bedingungen, bei denen der Motor belastet ist und sich nicht im Leerlauf befindet) geringer sein. Infolgedessen kann die Steuerung bestimmen, dass der gewünschte Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt (z. B. einen Zündzeitpunkt, der keine Einstellungen beinhaltet, die in Bezug auf die geschätzte Kolbenvorspannkraft vorgenommen worden sind) nach spät oder (beziehungsweise) nach früh verstellt wird, um das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer einzustellen. In einem anderen Beispiel unter Bezugnahme auf den durch 6 gezeigten und nachstehend beschriebenen Kolben kann die geschätzte Kolbenvorspannkraft aufgrund einer relativ höheren Betriebstemperatur des Kolbens (z. B. in Bezug auf eine Kolbenbetriebstemperatur unter Motorleerlaufbedingungen) geringer sein oder aufgrund einer relativ niedrigen Betriebstemperatur des Kolbens (z. B. in Bezug eine Kolbenbetriebstemperatur unter Bedingungen, bei denen der Motor belastet ist und sich nicht im Leerlauf befindet) höher sein. Infolgedessen kann die Steuerung bestimmen, dass der gewünschte Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt (z. B. einen Zündzeitpunkt, der keine Einstellungen beinhaltet, die in Bezug auf die geschätzte Kolbenvorspannkraft vorgenommen worden sind) nach früh oder (beziehungsweise) nach spät verstellt wird, um das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer einzustellen.
  • In anderen Beispielen kann der gewünschte Zündzeitpunkt bestimmt werden, um eine Menge von mechanischer Energie einzustellen, die durch den Kolben gespeichert und während der Verdichtung und Ausdehnung von Gasen innerhalb der Brennkammer freigesetzt wird. Zum Beispiel kann die Steuerung unter Bedingungen, bei denen die geschätzt Kolbenvorspannkraft höher ist, bestimmen, dass der gewünschte Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt nach früh verstellt wird, um Gasdrücke innerhalb der Brennkammer zu erhöhen und die obere Wand des Kolbens aus einer erweiterten Position in eine teilweise eingezogene oder vollständig eingezogene Position (z. B. die durch 2 gezeigte und vorstehend beschriebene erweiterte und eingezogene Position) zu bewegen. Auf diese Art und Weise kann während eines Expansionstakts (z. B. Arbeitstakts) eines einzelnen Verbrennungszyklus im Anschluss an die Zündung der Gase und des Kraftstoffs innerhalb der Brennkammer eine größere Menge potentieller Energie (die z. B. als Verdichtung des Gases innerhalb des Kolbens oder Verdichtung des mechanischen Vorspannelements gespeichert ist) innerhalb des Kolbens gespeichert werden. Die gespeicherte potentielle Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt während des einzelnen Verbrennungszyklus in kinetische Energie umgewandelt werden (z. B. über Ausdehnung des Gases innerhalb des Kolbens, wenn ein Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer verringert wird, oder über Ausdehnung des mechanischen Vorspannelements), wodurch eine Bewegung des Kolbens innerhalb der Brennkammer beschleunigt wird und ein Wirkungsgrad des Motors erhöht wird.
  • Der gewünschte Zündzeitpunkt kann zudem auf der Oktanzahl von Kraftstoff beruhen, der in die Brennkammer eingespritzt wird, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 306 beschrieben. In einem Beispiel kann die Steuerung den gewünschten Zündzeitpunkt durch Einstellen des vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft um ein erstes Ausmaß und auf Grundlage der Oktanzahl des Kraftstoffs um ein zweites Ausmaß einstellen.
  • Das Verfahren fährt dann bei 312 fort, wo das Verfahren Einstellen des Zündzeitpunkts auf den gewünschten Zündzeitpunkt beinhaltet. In einem Beispiel kann die Steuerung eine Frequenz, Phase und/oder Dauer von elektrischen Signalen einstellen, die an einen Aktor einer Zündkerze übertragen werden, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, um den Zündzeitpunkt einzustellen (um z. B. eine Versorgung der Zündspule mit Energie und einen Zeitpunkt der Zündfunkenentladung der Zündkerze über eine Einstellung der an den Aktor der Zündkerze gesendeten elektrischen Signale einzustellen). Wenn sich der Kolben als ein Beispiel an einer obersten Position der Brennkammer befindet (die hier als oberer Totpunkt oder OT bezeichnet wird), kann ein Drehwinkel einer an den Kolben gekoppelten Kurbelwelle 0 Grad betragen. Der bei 310 genannte vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt kann ein Zeitpunkt sein, an dem sich die Entladung der Zündkerze und die Zündung von Gasen innerhalb der Brennkammer ereignen, wobei der Kolben knapp unter dem OT positioniert ist und sich in Richtung des OT bewegt und ein Winkel der Kurbelwelle 10 Grad (z. B. in Bezug auf den Winkel, wenn sich der Kolben in der OT-Position befindet) betragen kann. Die Steuerung kann die Phase der an die Zündkerze übertragenen elektrischen Signale einstellen (z. B. eine Zeitmenge zwischen jeder Versorgung der Zündspule mit Energie und der Zündfunkenentladung über die Zündkerze einstellen), sodass sich die Zündung von Gasen innerhalb der Brennkammer stattdessen ereignet, wenn der Winkel der Kurbelwelle (zum Beispiel) 14 Grad beträgt, wodurch der Zündzeitpunkt nach früh verstellt wird. Als ein anderes Beispiel kann die Steuerung die Phase von an die Zündkerze übertragenen elektrischen Signalen einstellen, sodass sich die Zündung von Gasen innerhalb der Brennkammer ereignet, wenn der Winkel der Kurbelwelle 6 Grad beträgt, wodurch der Zündzeitpunkt nach spät verstellt (z. B. verzögert) wird. In anderen Beispielen kann der Zündzeitpunkt um ein anderes Ausmaß nach früh und/oder nach spät verstellt werden.
  • Falls das aktuelle Klopfausmaß bei 308 größer als das Schwellenklopfausmaß ist, fährt das Verfahren bei 314 fort, wo das Verfahren Bestimmen beinhaltet, ob das vorherige Klopfausmaß größer als das Schwellenklopfausmaß ist. Das vorherige Klopfausmaß kann das Klopfausmaß sein, das während der vorherigen Dauer des Motorbetriebs bestimmt worden ist (z. B. unmittelbar vor der aktuellen Dauer), wie vorstehend beschrieben.
  • Falls das vorherige Klopfausmaß bei 314 nicht größer als das Schwellenklopfausmaß ist, fährt das Verfahren bei 316 fort, wo das Verfahren Bestimmen eines gewünschten Zündzeitpunkts in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage der geschätzten Kolbenvorspannkraft und des aktuellen Klopfausmaßes beinhaltet. In dem gezeigten Beispiel ist der vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt der gleiche vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt wie vorstehend unter Bezugnahme auf 310 und 312 beschrieben. In einem Beispiel kann die Steuerung den gewünschten Zündzeitpunkt bei 316 durch Berechnen einer ersten Einstellung des vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Kolbenvorspannkraft und Berechnen einer zweiten Einstellung des vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkts auf Grundlage des aktuellen Klopfausmaßes bestimmen. Der gewünschte Zündzeitpunkt kann ein Zündzeitpunkt sein, der aus der an dem vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt vorgenommenen ersten Einstellung und zweiten Einstellung hervorgeht. Zum Beispiel kann die erste Einstellung den Zündzeitpunkt auf Grundlage dessen nach früh oder nach spät verstellen, ob die geschätzte Kolbenvorspannkraft höher oder geringer ist (z. B. wie vorstehend unter Bezugnahme auf 310 beschrieben). Die zweite Einstellung kann den Zündzeitpunkt dann zusätzlich auf Grundlage des aktuellen Klopfausmaßes (z. B. einer Größe der Klopfrate oder Klopfintensität, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 304 beschrieben) nach früh oder nach spät verstellen. Eine höhere Klopfrate und/oder höhere Klopfintensität kann zu einem höheren Ausmaß des Verstellens des Zündzeitpunkts nach spät über die zweite Einstellung führen. Falls es sich jedoch bei der ersten Einstellung um ein höheres Ausmaß der Verstellung des Zündzeitpunkts nach früh handelt und bei der zweiten Einstellung um ein geringeres Ausmaß des Verstellens des Zündzeitpunkts nach spät handelt, kann der gewünschte Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt nach früh verstellt werden.
  • Das Verfahren fährt dann bei 318 fort, wo das Verfahren Einstellen des Zündzeitpunkts auf den gewünschten Zündzeitpunkt beinhaltet. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 312 beschrieben, wird der Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf den gewünschten Zündzeitpunkt eingestellt. Die Steuerung kann eine Frequenz, Phase und/oder Dauer von elektrischen Signalen einstellen, die an eine Zündkerze übertragen werden, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, um den Zündzeitpunkt auf den gewünschten Zündzeitpunkt einzustellen.
  • Falls das vorherige Klopfausmaß bei 314 größer als das Schwellenklopfausmaß ist, fährt das Verfahren bei 320 fort, wo das Verfahren Bestimmen eines gewünschten Zündzeitpunkts in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage der Kolbenvorspannkraft und des vorherigen Klopfausmaßes beinhaltet. Der vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt ist der gleiche vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt wie vorstehend unter Bezugnahme auf 310, 312 und 316 beschrieben. In einem Beispiel kann die Steuerung den gewünschten Zündzeitpunkt bei 320 durch Berechnen einer ersten Einstellung des vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Kolbenvorspannkraft und Berechnen einer zweiten Einstellung des vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkts auf Grundlage des vorherigen Klopfausmaßes bestimmen. Der gewünschte Zündzeitpunkt kann ein Zündzeitpunkt sein, der aus der an dem vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt vorgenommenen ersten Einstellung und zweiten Einstellung hervorgeht. Zum Beispiel kann die erste Einstellung den Zündzeitpunkt auf Grundlage dessen nach früh oder nach spät verstellen, ob die geschätzte Kolbenvorspannkraft höher oder geringer ist (z. B. wie vorstehend unter Bezugnahme auf 310 beschrieben). Die zweite Einstellung kann den Zündzeitpunkt dann zusätzlich auf Grundlage des vorherigen Klopfausmaßes (z. B. einer Größe der Klopfrate oder Klopfintensität, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 304 beschrieben) nach früh oder nach spät verstellen. Eine höhere Klopfrate und/oder höhere Klopfintensität kann zu einem höheren Ausmaß des Verstellens des Zündzeitpunkts nach spät über die zweite Einstellung führen. Durch Einstellen des Zündzeitpunkts auf diese Art und Weise kann eine Wahrscheinlichkeit dessen reduziert werden, dass während Dauern des Motorbetriebs im Anschluss an die aktuelle Dauer Klopfen auftritt. Ein höheres vorheriges Klopfausmaß und ein höheres aktuelles Klopfausmaß (z. B. unter Bedingungen, bei denen das vorherige Klopfausmaß und aktuelle Klopfausmaß jeweils das Schwellenklopfausmaß übersteigen) können angeben, dass die Brennkammer klopfanfällig ist, und der Zündzeitpunkt kann dementsprechend eingestellt werden. Infolgedessen kann eine Wahrscheinlichkeit dessen reduziert werden, dass während späterer Dauern des Motorbetriebs Klopfen auftritt.
  • Das Verfahren fährt dann bei 322 fort, wo das Verfahren Einstellen des Zündzeitpunkts auf den gewünschten Zündzeitpunkt beinhaltet. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 312 und 318 beschrieben, wird der Zündzeitpunkt in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf den gewünschten Zündzeitpunkt eingestellt. Die Steuerung kann eine Frequenz, Phase und/oder Dauer von elektrischen Signalen einstellen, die an eine Zündkerze übertragen werden, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, um den Zündzeitpunkt auf den gewünschten Zündzeitpunkt einzustellen.
  • Durch Einstellen des Motorbetriebs gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren 300 können das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer und das Ausmaß von durch den Motor erzeugter Arbeit präziser gesteuert werden. Verbrennungsenergie (z. B. kinetische Energie von Verbrennungsgasen während der Zündung) kann teilweise durch den Kolben konserviert werden und dazu verwendet werden, die Bewegung der Kurbelwelle über die an den Kolben gekoppelte Pleuelstange zu beschleunigen. Zusätzlich kann durch Speichern eines Teils der Verbrennungsenergie innerhalb des Kolbens der Gasdruck innerhalb der Brennkammer während der Zündung reduziert werden, wodurch eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert wird. Die Steuerung kann den Zündzeitpunkt auf Grundlage der Vorspannkraft von Gas innerhalb des Kolbens und/oder des Klopfausmaßes der Brennkammer (z. B. des vorstehend beschriebenen vorherigen Klopfausmaßes und/oder aktuellen Klopfausmaßes) einstellen, um Klopfen zu reduzieren und den Motorwirkungsgrad zu erhöhen.
  • 4 zeigt ein Schaubild, das Betriebsbedingungen eines Motors (z. B. des durch 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen Motors), der einen auf Druck reagierenden Kolben (z. B. den durch 2 gezeigten und vorstehend beschriebenen Kolben) beinhaltet, der innerhalb einer Brennkammer angeordnet ist, gemäß dem vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Verfahren 300 veranschaulicht. Insbesondere beinhaltet das Schaubild 400 Verläufe für Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404, Abgastemperatur 406, Klopfsignal 408, geschätzte Kolbenvorspannkraft 410 und Zündzeitpunkt 412. Einstellungen des Zündzeitpunkts als Reaktion auf Motorbetriebsbedingungen (z. B. die geschätzte Kolbenvorspannkraft) sind nachstehend ausführlicher beschrieben.
  • Zwischen Zeitpunkt t0 und t1, die durch das Schaubild 400 gezeigt sind, nimmt die Motorlast 402 steil zu, bleibt dann relativ konstant bei einem ersten Wert und nimmt dann kurz vor Zeitpunkt t1 erneut auf einen zweiten Wert zu. In einem Beispiel kann die Zunahme der Motorlast auf einen Kaltstart des Motors zurückgehen (z. B. einen Zustand, bei dem der Motor aus einem nicht betriebsfähigen Modus, bei dem Kraftstoff und Luft nicht innerhalb der Motorzylinder verbrannt werden, in einen betriebsfähigen Modus, bei dem Kraftstoff und Luft innerhalb der Motorzylinder verbrannt werden, eingestellt wird). Infolge der erhöhten Motorlast nehmen die Motorkühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 jeweils dementsprechend zu. Die Steuerung kann Signale von einem Motorkühlmitteltemperatursensor, Motoröltemperatursensor und/oder einem Abgastemperatursensor empfangen, um die geschätzte Vorspannkraft 410 von Gas innerhalb des Kolbens gegen eine obere Wand des Kolbens zu bestimmen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Wenn die Kühlmitteltemperatur und Abgastemperatur zunehmen, nimmt aufgrund einer Korrelation zwischen der erhöhten Kühlmittel-/Abgastemperatur und einer Betriebstemperatur des Motors auch die geschätzte Vorspannkraft zu. Die Betriebstemperatur des Motors kann eine Temperatur von innerhalb des Kolbens enthaltenem Gas angeben, und die Temperatur des Gases steht wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben (z. B. gemäß der allgemeinen Gasgleichung) direkt mit dem Druck des Gases in Beziehung.
  • Aufgrund der Zunahme der geschätzten Vorspannkraft zwischen Zeitpunkt t0 und t1 (z. B. als Reaktion darauf) wird der Zündzeitpunkt 412 durch die Steuerung nach früh verstellt. Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh kann Einstellen einer Versorgung der Zündspule mit Energie und Einstellen der Zündfunkenentladung einer Zündkerze, die innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, sodass sich die Zündfunkenentladung während eines einzelnen Verbrennungszyklus in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt 414 zu einem früheren Zeitpunkt ereignet, beinhalten. In einem Beispiel kann Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh einen Druck von Verbrennungsgasen innerhalb der Brennkammer erhöhen, wodurch ein Kraftbetrag erhöht wird, der durch die Verbrennungsgase innerhalb der Brennkammer in einer Richtung einer Basis des Kolbens auf die obere Wand des Kolbens angewendet wird (z. B. die durch 2 gezeigte und vorstehend beschriebene obere Wand 210 und Basis 215). Die in der Richtung der Basis des Kolbens (durch die Verbrennungsgase) auf die Wand angewendete Kraft kann in Bezug auf die in der entgegengesetzten Richtung (durch innerhalb der Basis enthaltenes Gas) auf die obere Wand angewendete Vorspannkraft erhöht werden. Infolgedessen kann die obere Wand aus einer vollständig erweiterten Position (wie durch die erste Ansicht aus 2 gezeigt und vorstehend beschrieben) in eine teilweise oder vollständig eingezogene Position (wie durch die Ansicht aus 2 gezeigt und vorstehend beschrieben) bewegt werden. Auf diese Art und Weise kann ein Teil der kinetischen Energie, die über Ausdehnung des brennbaren Luft-/Kraftstoff-Gemischs während der Zündung in einem einzelnen Verbrennungszyklus an den Kolben übertragen wird, als potentielle Energie innerhalb des Kolbens gespeichert werden (z. B. über Verdichtung des innerhalb der Basis des Kolbens enthaltenen Gases durch die obere Wand). Die innerhalb des Kolbens gespeicherte potentielle Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt während des einzelnen Verbrennungszyklus freigesetzt werden, um die Bewegung der Kurbelwelle über die Anordnung aus Kolben und Pleuelstange zu beschleunigen (z. B. während eines Expansionstakts des einzelnen Verbrennungszyklus). Auf diese Art und Weise können eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert und ein Wirkungsgrad des Motors (z. B. ein Ausmaß von durch den Motor erzeugter Arbeit in Bezug auf eine Menge von innerhalb der Brennkammer verbranntem Kraftstoff/verbrannter Luft) erhöht werden.
  • Zwischen Zeitpunkt t1 und t2 bleibt die Motorlast 402 relativ konstant. Die Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 nehmen jeweils leicht zu. Infolgedessen nimmt die geschätzte Vorspannkraft 410 (wie durch die Steuerung bestimmt) ebenfalls leicht zu. Zwischen Zeitpunkt t1 und t2 nimmt jedoch das Klopfsignal 408 dreimal über einen Klopfschwellenwert 409 zu. Dementsprechend bestimmt die Steuerung, dass die Klopfrate zwischen Zeitpunkt t1 und t2 größer als eine Schwellenklopfrate ist, und der Zündzeitpunkt 412 wird nicht weiter nach früh verstellt. Stattdessen bleibt der Zündzeitpunkt in Bezug auf das zu Zeitpunkt t1 gezeigte Ausmaß der Verstellung nach früh ungefähr konstant.
  • Zwischen Zeitpunkt t2 und t3 nehmen die Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 jeweils zu. Infolgedessen nimmt die geschätzte Vorspannkraft 410 ebenfalls zu. Das Klopfsignal 408 nimmt nicht über den Klopfschwellenwert 409 zu. Aufgrund der erhöhten Klopfrate zwischen Zeitpunkt t1 und t2 wird der Zündzeitpunkt 412 jedoch zwischen Zeitpunkt t2 und t3 in Bezug auf den Zündzeitpunkt zwischen Zeitpunkt t1 und t2 nach spät verstellt (z. B. verringert). In einem Beispiel kann Verstellen des Zündzeitpunkts in Bezug auf den Zündzeitpunkt zwischen Zeitpunkt t1 und t2 einen Druck von Verbrennungsgasen innerhalb der Brennkammer reduzieren. Der reduzierte Druck der Verbrennungsgase kann eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Klopfen reduzieren.
  • Zwischen Zeitpunkt t3 und t4 nehmen die Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 weiterhin zu. Infolgedessen nimmt auch die geschätzte Vorspannkraft 410 weiterhin zu. Das Klopfsignal 408 wird zwischen Zeitpunkt t3 und t4 dreimal über den Klopfschwellenwert 409 erhöht. Die Steuerung bestimmt dann, dass die Klopfrate zwischen Zeitpunkt t3 und t4 größer als eine Schwellenklopfrate ist, und der Zündzeitpunkt 412 wird weiter verringert.
  • Zwischen Zeitpunkt t4 und t5 nehmen die Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404, Abgastemperatur 406 und geschätzte Vorspannkraft 410 jeweils ab. Das Klopfsignal 408 nimmt nicht über den Klopfschwellenwert 409 zu. Der Zündzeitpunkt 412 wird jedoch weiterhin nach spät verstellt (z. B. verringert), da die Klopfrate zwischen Zeitpunkt t3 und t4 die Schwellenklopfrate übersteigt. Zwischen Zeitpunkt t4 und t5 kann aufgrund der höheren Motorlast, Kühlmitteltemperatur und Abgastemperatur ein Druck von Verbrennungsgasen innerhalb der Brennkammer relativ höher sein (z. B. in Bezug auf Bedingungen, unter denen die Motorlast und Kühlmittel-/Abgastemperatur niedriger sind). Verstellen des Zündzeitpunkts nach spät über die Steuerung kann eine Klopfwahrscheinlichkeit durch Reduzieren der Spitzengasdrücke in der Brennkammer reduzieren.
  • Zwischen Zeitpunkt t5 und t6 nehmen die Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 jeweils weiterhin ab. Das Klopfsignal 408 übersteigt den Klopfschwellenwert 409 nicht. Aufgrund der abnehmenden Motorlast 402, Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 wird die geschätzte Vorspannkraft 410 ebenfalls verringert. Infolgedessen wird der Zündzeitpunkt 412 in Bezug auf den zu Zeitpunkt t5 gezeigten Zündzeitpunkt nach früh verstellt (z. B. erhöht). In einem Beispiel kann durch Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh zwischen Zeitpunkt t5 und t6 als Reaktion auf die abnehmende geschätzte Vorspannkraft ein Druck von Verbrennungsgasen innerhalb des Brennkammer erhöht werden und eine Menge von potentieller Energie, die während jedes Verbrennungszyklus (wie vorstehend beschrieben) innerhalb des Kolbens gespeichert wird, erhöht werden. Auf diese Art und Weise kann ein Wirkungsgrad des Motors erhöht werden.
  • Nach Zeitpunkt t6 bleibt die Motorlast 402 mit leichten Schwankungen ungefähr konstant. Die Kühlmitteltemperatur 404 und Abgastemperatur 406 nehmen beide schrittweise ab und bleiben dann ungefähr konstant. Dementsprechend nimmt die geschätzte Vorspannkraft 410 leicht ab, bleibt aber ungefähr konstant. Das Klopfsignal 408 übersteigt den Klopfschwellenwert 409 nicht. Aufgrund der leichten Abnahme der geschätzten Vorspannkraft 410 wird der Zündzeitpunkt 412 in Bezug auf den zu Zeitpunkt t6 gezeigten Zündzeitpunkt leicht nach früh verstellt. Durch Einstellen des Zündzeitpunkts als Reaktion auf die geschätzte Kolbenvorspannkraft wie vorstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben kann Klopfen reduziert und/oder beseitigt werden, wenn es durch die Steuerung erkannt wird. Zusätzlich kann die Steuerung den Zündzeitpunkt ferner einstellen, um eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Klopfen für eine bevorstehende Dauer des Motorbetriebs zu reduzieren (z. B. als vorhersagende Klopfverhinderung). In einigen nachstehend unter Bezugnahme auf 5 und vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Beispielen kann die Steuerung den Zündzeitpunkt zusätzlich als Reaktion auf eine Oktanzahl von in die Brennkammern des Motors eingespritztem Kraftstoff einstellen.
  • 5 zeigt ein Schaubild 500, das Zündverstellung nach früh in Bezug auf eine geschätzte Kolbenvorspannkraft für einen Kraftstoff mit einer ersten Oktanzahl bei einem ersten Verlauf 502 und einen zweiten Kraftstoff mit einer zweiten Oktanzahl bei einem zweiten Verlauf 504 zeigt. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf das durch 3 gezeigte Verfahren 300 beschrieben, entspricht Zündverstellung nach früh einer Einstellung des Zündzeitpunkts der Brennkammer in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt 508. In einem Beispiel kann die geschätzte Kolbenvorspannkraft ein geschätzter Kraftbetrag sein, der durch innerhalb eines Kolbens enthaltenes Gas gegen eine obere Wand des Kolbens ausgeübt wird (wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2-3 beschrieben), und ein Durchschnittswert über einen oder mehrere Verbrennungszyklen einer Brennkammer sein. In einem anderen Beispiel kann die geschätzte Kolbenvorspannkraft ein geschätzter Kraftbetrag sein, der durch ein innerhalb des Kolbens angeordnetes mechanisches Vorspannelement gegen die obere Wand des Kolbens ausgeübt wird (wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 und nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben), und ein Durchschnittswert über einen oder mehrere Verbrennungszyklen einer Brennkammer sein.
  • In einem Beispiel kann der erste Verlauf 502 einem ersten Kraftstoff mit einer niedrigeren Oktanzahl (z. B. einer Oktanzahl von 70) entsprechen und der zweite Verlauf 504 einem zweiten Kraftstoff mit einer relativ höheren Oktanzahl (z. B. einer Oktanzahl von 92) entsprechen. Wie durch 5 gezeigt, kann Zündverstellung nach früh in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt für Kraftstoffe mit unterschiedlichen Oktanzahlen unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die Zündverstellung nach früh für den ersten Kraftstoff (den Kraftstoff mit der niedrigeren Oktanzahl) bei geringeren Kolbenvorspannkräften in Bezug auf die Zündverstellung nach früh für den zweiten Kraftstoff (den Kraftstoff mit der höheren Oktanzahl) größer sein. Bei höheren Kolbenvorspannkräften kann jedoch eine Differenz der Zündverstellung nach früh für den ersten Kraftstoff und den zweiten Kraftstoff verringert sein (z. B. in Bezug auf die Zündverstellung nach früh bei geringeren Kolbenvorspannkräften). Jeder Kraftstoff kann eine andere Verbrennungsgeschwindigkeit innerhalb der Brennkammer aufweisen und daher zu unterschiedlichen Kolbenbetriebsbedingungen führen, wenn er in die Brennkammer eingespritzt wird.
  • 6 zeigt eine erste Ansicht 690 und eine zweite Ansicht 692 einer alternativen Ausführungsform eines auf Druck reagierenden Kolbens 600, der innerhalb einer Brennkammer 603 eines Motors angeordnet ist. Die erste Ansicht 690 und zweite Ansicht 692 zeigen jeweils den Kolben 600 in unterschiedlichen Positionen währen eines einzelnen Verbrennungszyklus der Brennkammer 603. Insbesondere zeigt die erste Ansicht 690 den Kolben 600 in einer ersten Position während eines Arbeitstakts (z. B. Gasexpansionstakts) des einzelnen Verbrennungszyklus und zeigt die zweite Ansicht 692 den Kolben 600 in einer zweiten Position während des Arbeitstakts des einzelnen Verbrennungszyklus, wobei sich der Kolben 600 während des Arbeitstakts aus der ersten Position in die zweite Position bewegt (z. B. in einer Richtung weg von einer oberen Fläche 660 der Brennkammer 603).
  • Der Kolben 600 beinhaltet einen Boden 602, eine Basis 611 und einen Schaft 606, der sich in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse 665 des Kolbens 600 zwischen dem Boden 602 und der Basis 611 erstreckt. Der Kolben 600 ist über eine Pleuelstange 618 mit einer Kurbelwelle des Motors gekoppelt. Die Pleuelstange 618 umgibt eine Lagerfläche 616 des Kolbens 600 und ermöglicht, dass eine Linearbewegung des Kolbens 600 innerhalb der Brennkammer über die Pleuelstange 618 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle des Motors umgewandelt wird. Eine obere Wand 609 des Kolbens 600 ist in einer Richtung weg von der Basis 611 und weg von der Pleuelstange 618 positioniert.
  • Die obere Wand 609 ist durch eine Außenfläche 601 des Kolbens 600 (z. B. eine Fläche, die eine Unterseite der Brennkammer bildet) und eine erste Innenfläche 610 des Kolbens 600 ausgebildet. Der Kolben 600 beinhaltet ein mechanisches Vorspannelement 604 (z. B. eine Feder), das durch eine Vielzahl von kreisförmigen Ringen 605 (z. B. Tellerfedern) ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen kann das mechanische Vorspannelement 604 eine andere Art von Vorspannelement sein (z. B. eine Mehrblattfeder) und/oder durch Komponenten ausgebildet sein, die eine andere Größe, Form und/oder relative Anordnung aufweisen. Das mechanische Vorspannelement 604 ist zwischen der ersten Innenfläche 610 des Kolbens 600 und einer zweitene zwischen dem Schaft 606 und Boden 602 positionierte Aussparung 614 (z. B. ein Spalt) ermöglicht, dass sicn Innenfläche 608 des Kolbens 600 positioniert und in einer Richtung parallel zu der Mittelachse 665 zusammendrückbar. Eih der Boden 602 in Richtung der Basis 611 bewegt, wenn das mechanische Vorspannelement 604 wie nachstehend beschrieben komprimiert wird.
  • Während des Betriebs des Motors führt der Gasdruck innerhalb der Brennkammer 603 zu einer Kraft gegen die obere Wand 609 des Kolbens 600 in der Richtung der Basis 611. Zum Beispiel kann die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand 609 gemäß dem Hookeschen Gesetz F=-Kx wirken, wobei F die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand 609 ist, x ein Ausmaß der Verschiebung der oberen Wand 609 in Bezug auf die Basis 611 aus einer Ausgangsposition (z. B. der durch die erste Ansicht 690 gezeigten vollständig erweiterten Position) ist und K ein Modifikatorwert (der hier als Federkonstante bezeichnet werden kann) in Abhängigkeit von der Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 (wobei z. B. höhere Temperaturen zu einem verringerten Wert für K führen und niedrigere Temperaturen zu einem erhöhten Wert für K führen) und einer Form und einem Material des mechanischen Vorspannelements 604 (z. B. einer Menge und einem Material der kreisförmigen Ringe 605) ist. Das mechanische Vorspannelement 604 kann mit einer derartigen Federkonstante ausgelegt sein, dass das mechanische Vorspannelement 604 als Reaktion auf geringere Gasdrücke in der Brennkammer (z. B. Gasdrücke, die geringeren Motorlasten entsprechen, wie etwa unmittelbar im Anschluss an einen Kaltstart des Motors) nicht vollständig komprimiert. Falls der Gasdruck innerhalb der Brennkammer jedoch größer als ein Schwellengasdruck (z. B. 5 bar) ist, kann das mechanische Vorspannelement 604 aus einer durch die erste Ansicht 690 gezeigten erweiterten Position (z. B. einer Position, in der das mechanische Vorspannelement 604 eine erste Länge 612 in einer Richtung parallel zu der Mittelachse 665 aufweist) in eine durch die zweite Ansicht 692 gezeigte vollständig komprimierte Position (z. B. eine Position, in der das mechanische Vorspannelement 604 eine zweite Länge 613 in der Richtung parallel zu der Mittelachse 665 aufweist, wobei die zweite Länger 613 weniger als die erste Länge 612 beträgt) komprimiert werden.
  • Zusätzlich kann das mechanische Vorspannelement 604 als Reaktion auf erhöhte Gasdrücke innerhalb der Brennkammer 603 (z. B. erhöht in Bezug auf einen durch die erste Ansicht 690 gezeigten ersten Druck 650) aus der durch die erste Ansicht 690 gezeigten erweiterten Position in eine Vielzahl von Positionen zwischen der erweiterten Position und der durch die zweite Ansicht 692 gezeigten vollständig komprimierten Position komprimiert werden. Der durch die erste Ansicht 690 gezeigte erste Druck 650 von Gas innerhalb der Brennkammer 603 ist viel geringer als der Schwellengasdruck (z. B. 1 bar). In einem Beispiel kann der erste Druck 650 ein Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer 603 unmittelbar vor der Zündung der Gase über Zündfunkenentladung durch eine innerhalb der Brennkammer angeordnete Zündkerze (z. B. ähnlich der durch 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen Zündkerze 192) sein. Infolgedessen wird das mechanische Vorspannelement 604 nicht in die vollständig komprimierte Position komprimiert. In der zweiten Ansicht 692 weisen die Gase innerhalb der Brennkammer 603 jedoch einen zweiten Druck 652 auf, der größer als der Schwellengasdruck ist. In einem Beispiel kann der zweite Druck 652 ein Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer 603 unmittelbar im Anschluss an die Zündung der Gase über Zündfunkenentladung durch die Zündkerze sein. Die Zündung der Gase innerhalb der Brennkammer 603 führt dazu, dass die Gase schnell expandieren, und der Druck der Gase wird erhöht (z. B. in Bezug auf den ersten Druck 650). Da der zweite Druck 652 höher als der Schwellengasdruck ist, wird die obere Wand des Kolbens 600 in Richtung der Basis 611 bewegt und das mechanische Vorspannelement 604 in Richtung der vollständig komprimierten Position bewegt. Auf diese Art und Weise wird kinetische Energie der expandierenden Gase durch das mechanische Vorspannelement 604 als potentielle Energie gespeichert. Die durch das mechanische Vorspannelement 604 gespeicherte potentielle Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt während des einzelnen Verbrennungszyklus freigesetzt werden, um die Bewegung der Kurbelwelle über die Anordnung aus Kolben und Pleuelstange zu beschleunigen (z. B. unter Bedingungen, bei denen der Druck von Gasen innerhalb der Brennkammer nach der Zündung während des einzelnen Verbrennungszyklus unter den Schwellengasdruck verringert wird).
  • In einem Beispiel kann mindestens ein Teil des mechanischen Vorspannelements 604 aus einem Metall (z. B. Edelstahl) ausgebildet sein. Wenn eine Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 erhöht wird (zum Beispiel aufgrund einer erhöhten Kolbenbetriebstemperatur, die aus einer erhöhten Motorlast hervorgeht), kann eine Steifigkeit (z. B. Federkonstante) des mechanischen Vorspannelements 604 abnehmen. Infolgedessen wird ein Betrag der Vorspannkraft, die durch das mechanische Vorspannelement 604 auf die obere Wand 609 angewendet wird, verringert, und das mechanische Vorspannelement 604 kann einfacher komprimiert werden. Der Schwellengasdruck wird dadurch derart reduziert, dass das mechanische Vorspannelement 604 als Reaktion auf geringere Gasdrücke in der Brennkammer vollständig komprimieren kann. Gleichermaßen werden unter Bedingungen, bei denen die Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 verringert wird (z. B. unter Bedingungen, bei denen die Motorlast geringer ist und eine verringerte Wärmemenge an den Kolben 600 übertragen wird), die Steifigkeit des mechanischen Vorspannelements 604 und der Gasschwellendruck jeweils erhöht.
  • Da die Steifigkeit des mechanischen Vorspannelements 604 mit der Temperatur variiert, kann das mechanische Vorspannelement 604 für unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten komprimieren und/oder expandieren. Zum Beispiel kann eine erste Motorbetriebsbedingung eine Bedingung sein, unter der die Motorlast geringer ist und eine Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 niedriger ist (z. B. im Anschluss an einen Kaltstart des Motors), und ein Zündzeitpunkt der Brennkammer 603 ist durch eine Steuerung des Motors (z. B. die durch 1 gezeigte und vorstehend beschriebene Steuerung 12) auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt eingestellt. In einem Beispiel kann der vorbestimmte standardmäßige Zündzeitpunkt ein Zündzeitpunkt sein, bei dem während eines Verdichtungstakts der Brennkammer 603 ein Zündfunken von der Zündkerze entladen wird, wenn sich der Kolben in einer bestimmten Position innerhalb der Brennkammer befindet (z. B. einer Position, die 14 Grad Kurbelwellendrehung weniger als ein Ausmaß der Kurbelwellendrehung, bei der der Kolben die obere Totpunktposition erreicht, entspricht). Eine zweite Motorbetriebsbedingung kann eine Bedingung sein, unter der die Motorlast höher ist und eine Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 höher ist (z. B. während einer Dauer erhöhter Kraftstoffeinspritzung und Luftansaugung in die Brennkammern des Motors in Bezug auf die vorstehend beschriebene erste Motorbetriebsbedingung), und der Zündzeitpunkt der Brennkammer 603 ist auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt eingestellt.
  • Unter Bedingungen, bei denen der Motor mit der vorstehend beschriebenen ersten Betriebsbedingung betrieben wird, können sich Komprimierung und Expansion des mechanischen Vorspannelements 604 in Bezug auf Bedingungen, unter denen der Motor mit der zweiten Betriebsbedingung betrieben wird, früher in einem Verbrennungszyklus ereignen. In einem Beispiel kann das mechanische Vorspannelement 604 während eines Arbeitstakts eines Verbrennungszyklus der Brennkammer 603, wenn sich der Motor in der ersten Betriebsbedingung befindet, komprimiert werden, wenn die Kurbelwelle um etwa 15 Grad (in einem Beispiel) mehr gedreht wird als das Drehausmaß, bei dem sich der Kolben in der oberen Totpunktposition befindet. Allerdings kann das mechanische Vorspannelement 604 während eines Arbeitstakts eines Verbrennungszyklus der Brennkammer 603, wenn sich der Motor in der zweiten Betriebsbedingung befindet, komprimiert werden, wenn die Kurbelwelle um etwa 13 Grad (in einem Beispiel) mehr gedreht wird als das Drehausmaß, bei dem sich der Kolben in der oberen Totpunktposition befindet. Infolgedessen können Kompression und Expansion des mechanischen Vorspannelements 604 während der ersten Betriebsbedingung zu einer anderen Drehmomentmenge gegen die Kurbelwelle führen als Kompression und Expansion des mechanischen Vorspannelements 604 während der zweiten Betriebsbedingung.
  • Um die Drehmomentmenge gegen die Kurbelwelle, die aus Kompression und Expansion des mechanischen Vorspannelements 604 hervorgeht, für verschiedene Motorbetriebsbedingungen (wie z. B. die vorstehend beschriebene erste Betriebsbedingung und zweite Betriebsbedingung) zu erhöhen, kann die Steuerung des Motors den Zündzeitpunkt der Brennkammer in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage einer geschätzten Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 einstellen (z. B. den Zeitpunkt der Zündfunkenentladung aus der Zündkerze nach früh oder nach spät verstellen). Die geschätzte Vorspannkraft kann durch die Steuerung auf Grundlage einer Ausgabe eines oder mehrerer Sensoren des Motorsystems geschätzt werden, wie etwa der vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Sensoren.
  • In einem Beispiel kann die Steuerung elektrische Signale von einem oder mehreren Motortemperatursensoren (z. B. einem Abgastemperatursensor, Motorkühlmitteltemperatursensor, Motoröltemperatursensor etc.) empfangen und auf Grundlage von Logikregeln, die eine Funktion der Abgastemperatur, Motoröltemperatur und/oder Motorkühlmitteltemperatur sind, eine logische Bestimmung hinsichtlich der Schätzung der Vorspannkraft (z. B. aufgrund der Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604) vornehmen. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung die Temperatur des mechanischen Vorspannelements 604 (und die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand des Kolbens) über die Abgastemperatur, Motoröltemperatur und/oder Motorkühlmitteltemperatur schätzen. Die Steuerung kann dann ein Steuersignal erzeugen, das an die Zündkerze (z. B. einen Aktor der Zündkerze) gesendet wird, um den Zeitpunkt der Zündfunkenentladung der Zündkerze einzustellen. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung eine Amplitude, Dauer und/oder Frequenz von Signalen von den Motortemperatursensoren mit Werten vergleichen, die in einer Lookup-Tabelle in nichtflüchtigem Computerspeicher der Steuerung gespeichert sind, um die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand des Kolbens zu schätzen und den Zündzeitpunkt als Reaktion auf die Vorspannkraft einzustellen. Die Steuerung kann die Vorspannkraft auf Grundlage einer Berechnung unter Verwendung der Lookup-Tabelle schätzen, wobei zum Beispiel die Eingabe die Motoröltemperatur ist und die Ausgabe die Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand des Kolbens ist.
  • In einigen Beispielen kann der Motor eine Vielzahl von Motorölzerstäubern beinhalten, die vertikal unter dem Kolben 600 positioniert sind (z. B. außerhalb der Brennkammer 603 und in Richtung der Kurbelwelle positioniert) und dazu ausgelegt sind, Motorölstrahlen in einer Aufwärtsrichtung in Richtung der Basis 611 des Kolbens 600 zu sprühen. Das aus den Zerstäubern gesprühte Öl kann auf eine untere Außenfläche 617 der Basis 611 auftreffen, um Wärmeenergie aus dem Kolben 600 zu absorbieren und eine Temperatur des Kolbens 600 zu reduzieren (z. B. um den Kolben zu kühlen). Ein Öldurchsatz aus den Motorölzerstäubern kann durch die Steuerung eingestellt werden, um das Ausmaß der Kühlung des Kolbens 600 zu erhöhen oder zu verringern. Auf diese Art und Weise kann die Steuerung die Temperatur des Kolbens 600 einstellen, um den Betrag der Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 gegen die obere Wand 609 des Kolbens 600 einzustellen. Zum Beispiel kann die Steuerung unter Bedingungen, bei denen die Motorlast niedriger ist (z. B. während Motorleerlauf) und eine Temperatur des Kolbens 600 höher ist (z. B. aufgrund einer Erwärmung des Kolbens 600 infolge eines längeren Zeitraums mit höherer Motorlast unmittelbar vor dem Motorleerlauf), den Öldurchsatz aus den Motorölzerstäubern erhöhen, um die Temperatur des Kolbens 600 zu reduzieren und dadurch die geschätzte Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements 604 zu erhöhen. Zusätzlich kann die Steuerung den Zündzeitpunkt auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft wie vorstehend beschrieben einstellen. Durch Einstellen des Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft und Einstellen der geschätzten Vorspannkraft durch Erhöhen oder Verringern des Öldurchsatzes aus den Motorölzerstäubern kann die Motordrehmomentabgabe mit erhöhter Präzision gesteuert werden und eine Klopfwahrscheinlichkeit reduziert werden.
  • 2 und 6 zeigen jeweils beispielhafte Auslegungen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Falls derartige Elemente so gezeigt sind, dass sie einander direkt berühren oder direkt miteinander gekoppelt sind, können sie in mindestens einem Beispiel als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die aneinander anliegend oder zueinander benachbart gezeigt sind, in mindestens einem Beispiel aneinander anliegend bzw. zueinander benachbart sein. Als ein Beispiel können Komponenten, die sich Flächen miteinander teilen, als sich Flächen teilend bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei nur ein Raum dazwischen ist und keine anderen Komponenten, zumindest in einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein anderes Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an gegenüberliegenden Seiten voneinander oder links/rechts voneinander gezeigt sind, in Bezug aufeinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements in mindestens einem Beispiel als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Im hier verwendeten Sinne können sich Oberseite/Unterseite, obere(r/s)/untere(r/s), über/unter auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und dazu verwendet werden, die Positionierung von Elementen der Figuren in Bezug aufeinander zu beschreiben. Demnach sind Elemente, die über anderen Elementen gezeigt sind, in einem Beispiel vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein anderes Beispiel können Formen der Elemente, die innerhalb der Figuren dargestellt sind, als diese Formen aufweisend bezeichnet werden (z. B. als rund, gerade, eben, gekrümmt, abgerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen). Ferner können Elemente, die so gezeigt sind, dass sie einander schneiden, in mindestens einem Beispiel als sich schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Noch ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
  • Der technische Effekt des Einstellens des Zündzeitpunkts auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft von innerhalb des auf Druck regierenden Kolbens enthaltenem Gas besteht darin, das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer zu steuern, um die Motordrehmomentabgabe zu erhöhen und Klopfen zu reduzieren. Auf diese Art und Weise kann das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer mit erhöhter Präzision gesteuert werden. Die Verdichtung des Gases innerhalb des Kolbens kann das Verdichtungsverhältnis der Brennkammer unter Bedingungen, bei denen der Gasdruck innerhalb der Brennkammer höher ist, reduzieren, wodurch eine Wahrscheinlichkeit der Selbstzündung von Kraftstoff innerhalb der Brennkammer reduziert wird und das Auftreten von Klopfen reduziert wird. Zusätzlich kann mechanische Energie innerhalb des Kolbens gespeichert werden, indem das Gas innerhalb des Kolbens verdichtet wird, und die mechanische Energie kann später durch den Kolben freigesetzt werden, um die Motorleistung zu erhöhen.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren Folgendes: Schätzen einer Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb einer Brennkammer eines Motors angeordnet ist; und Einstellen eines Betriebsparameters des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft. In einem ersten Beispiel für das Verfahren beinhaltet Einstellen des Betriebsparameters des Motors Einstellen eines Zündzeitpunkts der Brennkammer. Ein zweites Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, wobei Einstellen des Zündzeitpunkts Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt oder Verstellen des Zündzeitpunkts nach spät in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt beinhaltet. Ein drittes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder beide des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh und nach spät als Reaktion darauf erfolgt, dass die geschätzte Vorspannkraft größer als oder geringer als eine Schwellenvorspannkraft ist. Ein viertes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis dritten Beispiels und beinhaltet ferner Bestimmen eines Motorklopfausmaßes auf Grundlage einer Ausgabe eines Motorklopfsensors und Einstellen des Betriebsparameters des Motors auf Grundlage des Motorklopfausmaßes. Ein fünftes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis vierten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei der Betriebsparameter des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft um ein erstes Ausmaß eingestellt wird, wobei der Betriebsparameter des Motors auf Grundlage des Motorklopfausmaßes um ein zweites Ausmaß eingestellt wird und wobei sich das erste Ausmaß von dem zweiten Ausmaß unterscheidet. Ein sechstes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis fünften Beispiels und beinhaltet ferner, wobei das Motorklopfausmaß eine Klopfintensität beinhaltet, die einem Ausmaß entspricht, um das die Ausgabe des Motorklopfsensors eine Schwellenausgabe übersteigt, und wobei Einstellen des Motorparameters die Klopfintensität reduziert. Ein siebtes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis sechsten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei das Motorklopfausmaß eine Klopfrate beinhaltet und wobei Einstellen des Motorparameters die Klopfrate reduziert. Ein achtes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis siebten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei die Klopfrate über mindestens einen abgeschlossenen Verbrennungszyklus der Brennkammer bestimmt wird. Ein neuntes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis achten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei die Vorspannkraft auf Grundlage mindestens einer von einer Ausgabe eines Motorkühlmitteltemperatursensors, einer Ausgabe eines Motoröltemperatursensors oder einer Ausgabe eines Motorabgastemperatursensors geschätzt wird. Ein zehntes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis neunten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei die Brennkammer eine einer Vielzahl von Brennkammern ist und wobei Einstellen des Betriebsparameters Einstellen eines Zündzeitpunkts jeder Brennkammer der Vielzahl von Brennkammern beinhaltet.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren Folgendes: Schätzen einer Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb einer Brennkammer eines Motors angeordnet ist; und Einstellen eines Zündzeitpunkts der Brennkammer auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft und einer Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff. In einem ersten Beispiel für das Verfahren beinhaltet Schätzen der Vorspannkraft Messen einer Ausgabe mindestens eines Motortemperatursensors zum Schätzen einer Temperatur von Gas, das innerhalb des auf Druck reagierenden Kolbens abgedichtet ist. Ein zweites Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, wobei Schätzen der Vorspannkraft Berechnen eines Drucks des innerhalb des auf Druck reagierenden Kolbens abgedichteten Gases auf Grundlage der Temperatur des Gases beinhaltet. Ein drittes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder beide des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei Einstellen des Zündzeitpunkts Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh oder nach spät in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft um ein erstes Ausmaß und Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh oder nach spät in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage der Oktanzahl des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs um ein zweites Ausmaß beinhaltet, wobei sich das erste Ausmaß von dem zweiten Ausmaß unterscheidet. Ein viertes Beispiel für das Verfahren beinhaltet optional eines oder mehrere oder jedes des ersten bis dritten Beispiels und beinhaltet ferner Einstellen des Zündzeitpunkts der Brennkammer in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt auf Grundlage von sowohl der geschätzten Vorspannkraft als auch der Oktanzahl des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs um ein drittes Ausmaß, wobei sich das dritte Ausmaß von dem ersten Ausmaß und zweiten Ausmaß unterscheidet.
  • In einem Beispiel beinhaltet ein System Folgendes: einen Motor, der eine Brennkammer und eine darin angeordnete Zündkerze beinhaltet; einen auf Druck reagierenden Kolben, der innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, wobei der Kolben eine obere Wand beinhaltet, die in Bezug auf eine Basis des Kolbens bewegt werden kann und von der Basis weg positioniert ist, wobei die obere Wand durch innerhalb der Basis enthaltenes Gas von der Basis weg vorgespannt ist; und eine Steuerung, die in nichtflüchtigem Speicher gespeicherte computerlesbare Anweisungen zum Schätzen einer Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand und Einstellen eines Zeitpunkts zur Zündfunkenentladung der Zündkerze als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft beinhaltet. In einem ersten Beispiel für das System beinhaltet die Steuerung zusätzlich in nichtflüchtigem Speicher gespeicherte Anweisungen zum Einstellen der geschätzten Vorspannkraft als Reaktion auf eine Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff. Ein zweites Beispiel für das System beinhaltet optional das erste Beispiel und beinhaltet ferner, wobei die obere Wand durch eine dehnbare Dichtung an die Basis gekoppelt ist und wobei die Dichtung in einer Richtung einer Mittelachse der Brennkammer dehnbar ist. Ein drittes Beispiel für das System beinhaltet optional eines oder beide des ersten und zweiten Beispiels und beinhaltet ferner, wobei die Basis fluiddicht ist und sich innerhalb der Basis enthaltenes Gas nicht mit Gas innerhalb der Brennkammer vermischt oder damit konvergiert.
  • In einer anderen Darstellung umfasst ein Verfahren Folgendes: Schätzen einer Federkonstanten einer Gasfeder, die durch ein Inneres eines Kolbens einer Brennkammer eines Motors ausgebildet ist und durch eine obere Außenwand des Kolbens abgedeckt ist; Einstellen eines Betriebsparameters des Motors um ein erstes Ausmaß als Reaktion darauf, dass die geschätzte Federkonstante geringer als eine Schwellenfederkonstante ist; und Einstellen eines Betriebsparameters des Motors um ein zweites Ausmaß als Reaktion darauf, dass die geschätzte Federkonstante größer als die Schwellenfederkonstante ist, wobei sich das erste Ausmaß von dem zweiten Ausmaß unterscheidet.
  • In noch einer anderen Darstellung umfasst ein Verfahren Folgendes: Schätzen einer Temperatur eines mechanischen Vorspannelements, das innerhalb eines auf Druck reagierenden Kolbens angeordnet ist; Schätzen einer Vorspannkraft des mechanischen Vorspannelements auf Grundlage der geschätzten Temperatur; und Einstellen eines Betriebsparameters des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft.
  • Es ist zu beachten, dass die hier eingeschlossenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemauslegungen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtflüchtigem Speicher gespeichert und durch das Steuersystem einschließlich der Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die verschiedenen Motorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung beinhaltet, ausgeführt werden.
  • Es versteht sich, dass die hier offenbarten Auslegungen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehende Technologie auf V6-, I4-, I6-, V12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Auslegungen und sonstige hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
  • Die folgenden Patentansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente beinhalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche werden unabhängig davon, ob sie einen weiter oder enger gefassten, gleichen oder anderen Umfang im Vergleich zu den ursprünglichen Ansprüchen aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6907849 [0004]
    • US 4376429 [0004]

Claims (15)

  1. Verfahren, umfassend: Schätzen einer Vorspannkraft eines auf Druck reagierenden Kolbens, der innerhalb einer Brennkammer eines Motors angeordnet ist; und Einstellen eines Betriebsparameters des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Einstellen des Betriebsparameters des Motors Einstellen eines Zündzeitpunkts der Brennkammer beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Einstellen des Zündzeitpunkts Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh in Bezug auf einen vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt oder Verstellen des Zündzeitpunkts nach spät in Bezug auf den vorbestimmten standardmäßigen Zündzeitpunkt beinhaltet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Verstellen des Zündzeitpunkts nach früh und nach spät als Reaktion darauf erfolgt, dass die geschätzte Vorspannkraft größer als oder geringer als eine Schwellenvorspannkraft ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Bestimmen eines Motorklopfausmaßes auf Grundlage einer Ausgabe eines Motorklopfsensors und Einstellen des Betriebsparameters des Motors auf Grundlage des Motorklopfausmaßes.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Betriebsparameter des Motors auf Grundlage der geschätzten Vorspannkraft um ein erstes Ausmaß eingestellt wird, wobei der Betriebsparameter des Motors auf Grundlage des Motorklopfausmaßes um ein zweites Ausmaß eingestellt wird und wobei sich das erste Ausmaß von dem zweiten Ausmaß unterscheidet.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Motorklopfausmaß eine Klopfintensität beinhaltet, die einem Ausmaß entspricht, um das die Ausgabe des Motorklopfsensors eine Schwellenausgabe übersteigt, und wobei Einstellen des Motorparameters die Klopfintensität reduziert.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Motorklopfausmaß eine Klopfrate beinhaltet und wobei Einstellen des Motorparameters die Klopfrate reduziert.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Klopfrate über mindestens einen abgeschlossenen Verbrennungszyklus der Brennkammer bestimmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorspannkraft auf Grundlage mindestens einer von einer Ausgabe eines Motorkühlmitteltemperatursensors, einer Ausgabe eines Motorabgastemperatursensors oder einer Ausgabe eines Motoröltemperatursensors geschätzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer eine einer Vielzahl von Brennkammern ist und wobei Einstellen des Betriebsparameters Einstellen eines Zündzeitpunkts jeder Brennkammer der Vielzahl von Brennkammern beinhaltet.
  12. System, umfassend: einen Motor, der eine Brennkammer und eine darin angeordnete Zündkerze beinhaltet; einen auf Druck reagierenden Kolben, der innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, wobei der Kolben eine obere Wand beinhaltet, die in Bezug auf eine Basis des Kolbens bewegt werden kann und von der Basis weg positioniert ist, wobei die obere Wand durch innerhalb der Basis enthaltenes Gas von der Basis weg vorgespannt ist; und eine Steuerung, die in nichtflüchtigem Speicher gespeicherte computerlesbare Anweisungen zum Schätzen einer Vorspannkraft des Gases gegen die obere Wand und Einstellen eines Zeitpunkts zur elektrischen Entladung der Zündkerze als Reaktion auf die geschätzte Vorspannkraft beinhaltet.
  13. System nach Anspruch 12, wobei die Steuerung zusätzlich in nichtflüchtigem Speicher gespeicherte Anweisungen zum Einstellen der geschätzten Vorspannkraft als Reaktion auf eine Oktanzahl von in die Brennkammer eingespritztem Kraftstoff beinhaltet.
  14. System nach Anspruch 12, wobei die obere Wand durch eine dehnbare Dichtung an die Basis gekoppelt ist und wobei die Dichtung in einer Richtung einer Mittelachse der Brennkammer dehnbar ist.
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Basis fluiddicht ist und sich innerhalb der Basis enthaltenes Gas nicht mit Gas innerhalb der Brennkammer oder Gasen innerhalb des Kurbelgehäuses vermischt oder damit konvergiert.
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