DE10346317B4

DE10346317B4 - Verbrennungsmodussteuerung für einen fremdgezündeten Innenverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung (DISI-Motor)

Info

Publication number: DE10346317B4
Application number: DE10346317A
Authority: DE
Inventors: Jing Sun; Iiya V. Kolmanovsky
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: GB2394798B; US6705276B1; DE10346317A1; GB0321364D0; GB2394798A

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Innenverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, wobei der genannte Motor geeignet ist, in einem unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi ausgewählten Betriebsmodus zu arbeiten, wobei einer der genannten Modi durch Schichtladeverbrennung und der andere der genannten Modi durch homogene Verbrennung gekennzeichnet sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Bestimmen eines bevorzugten Betriebsmodus aufgrund der Betriebszustände des Motors und eines angeforderten Drehmoments, auf der Grundlage des genannten angeforderten Drehmoments Bestimmen, ob der Betrieb in dem genannten bevorzugten Betriebsmodus machbar ist, und Übergang zu dem bevorzugten Betriebsmodus, wenn der genannte bevorzugte Betriebsmodus als machbar festgestellt wurde; ansonsten Betreiben des genannten Motors in einem der Modi, die eine minimale Differenz zwischen dem in einem der genannten Modi abgegebenen Drehmoment und dem angeforderten Drehmoment entstehen lassen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Fremdgezündete Innenverbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung (DISI-Motoren) können abhängig von den zu erreichenden besonderen Zielen zu jedem beliebigen Zeitpunkt beispielsweise mit Betonung auf Leistungsabgabe, Kraftstoffverbrauchsverhalten und/oder geringe Emissionen in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Betriebsmodi können einen homogenen Modus umfassen, bei dem die Verbrennungsräume ein im wesentlichen homogenes Gemisch von Luft und Kraftstoff enthalten, oder aber einen Schichtlademodus, bei dem die Verbrennungsräume geschichtete Schichten verschiedener Luft-/Kraftstoffgemische enthalten. Der Schichtlademodus umfaßt im allgemeinen Schichten in der Nähe der Zündkerze, welche ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffgemisch enthalten, wobei die äußeren Schichten zunehmend magerere Luft-/Kraftstoffgemische enthalten.
Aus DE 198 50 584 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ständig berechnet wird, in welche der verschiedenen Betriebsarten in der Lage sind, ein angefordertes Drehmoment zu erzeugen und gleichzeitig vorgegebene Lambda-Grenzen einzuhalten. Es wird dann nur in solche Betriebsarten geschaltet, welche das angeforderte Drehmoment erzeugen können und die Lambda-Grenzen einhalten.
Typischerweise gibt es jedoch einen Bereich von Luft-/Kraftstoffverhältnissen, in dem im Schichtlademodus eine stabile Verbrennung erreicht werden kann, beispielsweise zwischen 25:1 und 40:1, und einen zweiten Bereich, in dem im homogenen Modus eine stabile Verbrennung erreicht werden kann, z. B. zwischen 12:1 und 20:1. Entsprechend gibt es typischerweise eine bedeutende Lücke zwischen dem magersten Luft-/Kraftstoffverhältnis des homogenen Modus (bei diesem Beispiel 20) und dem fettesten Luft-/Kraftstoffverhältnis des Schichtlademodus (bei diesem Beispiel 25).
Diese Lücke wirft eine Reihe von Problemen bei der Wahl eines zweckmäßigen Betriebsmodus und der Steuerung des Motors auf. Beispielsweise ist das beste Kraftstoffverbrauchsverhalten häufig mit dem höchstzulässigen Krümmerdruck verbunden, was möglicherweise zu einem Luft-/Kraftstoffverhältnis zwingt, das in die Lücke fällt und demzufolge in keinem Betriebsmodus erreichbar ist. Entsprechend betreibt das Motorsteuergerät den Motor bei einem fetteren Luft-/Kraftstoffverhältnis, um eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten, woraus ein schlechteres Kraftstoffverbrauchsverhalten resultiert. Dies ist auch eine Herausforderung während der Moduswechsel, wenn der Übergangskrümmerdruck und die Luftladung im Zylinder Bedingungen erreichen, die verhindern, daß der Motor ohne Verletzung von Luft-/Kraftstoffverhältnis-bezogenen Zwängen genau das abgerufene Drehmoment abgibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und ein System für die Steuerung eines Innenverbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Probleme vermeidet und welches die Auswahl eines Betriebsmodus in Abhängigkeit von einem angeforderten Drehmoment auch dann ermöglicht, wenn mit den durch die Betriebsmodi darstellbaren Luft/Kraftstoffverhältnissen kein kontinuierlicher Wertebereich dargestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Verfahren und einem System für die Steuerung eines Innenverbrennungsmotors gemäß den Ansprüchen 1 und 10. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein System für die Steuerung eines Innenverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und Fremdzündung geliefert, wobei der genannte Motor geeignet ist, in einem unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi ausgewählten Modus zu arbeiten. Einer dieser Modi ist durch geschichtete Verbrennung gekennzeichnet, und ein anderer dieser Modi ist durch eine homogene Verbrennung gekennzeichnet. Das Verfahren und das System umfassen die Bestimmung eines bevorzugten Modus unter den Betriebsmodi aufgrund von Betriebsbedingungen des Motors und eines angeforderten Drehmoments. Aufgrund des genannten angeforderten Drehmoments erfolgt eine Feststellung, ob der Betrieb mit dem genannten bevorzugten Betriebsmodus machbar ist. Wenn festgestellt wird, daß der genannte bevorzugte Modus machbar ist, geht der Motor zum bevorzugten Modus über; ansonsten wird der genannte Motor in einem der Modi betrieben, der eine minimale Differenz zwischen dem in einem der genannten Modi abgegebenen Drehmoment und dem angeforderten Drehmoment verursacht.
Bei einer Ausführungsform umfaßt die Machbarkeitsfeststellung die Bestimmung des maximalen Drehmoments τ_max,s, das von dem genannten Motor im Schichtladebetrieb abgegeben werden kann, und die Bestimmung des minimalen Drehmoments τ_min,h, das von dem genannten Motor im homogenen Betriebsmodus abgegeben werden kann. Das Verfahren und das System bestimmen, daß ein Betreiben des Motors im geschichteten Modus möglich ist, wenn das abgerufene Drehmoment geringer ist als das bestimmte maximale Drehmoment τ_max,s oder diesem entspricht, und bestimmt, daß der Betrieb des genannten Motors im homogenen Modus machbar ist, wenn das angeforderte Drehmoment größer ist als das bestimmte minimale Drehmoment τ_min,h oder diesem entspricht.
Bei einer Ausführungsform wird das maximale Drehmoment τ_max,s als Funktion der Motorbetriebsdrehzahl, der Luftladung, des Anteils verbrannten Gases in einem Zylinder des genannten Motors und einer unteren Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb des genannten Motors bestimmt.
Bei einer Ausführungsform wird das minimale Drehmoment τ_min,h als Funktion der Motorbetriebsdrehzahl, der Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils verbrannten Gases im Zylinder und des gegenüber einem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment maximal verzögerten Zündzeitpunktes bestimmt.
Bei einer Ausführungsform wird der Zündzeitpunkt geändert, um das angeforderte Drehmoment bereitzustellen, wenn im homogenen Modus gearbeitet wird, und es wird der Kraftstoffstrom zu dem genannten Zylinder geändert, um dem Drehmomentbedarf gerecht zu werden, wenn im Schichtlademodus gearbeitet wird.
In der nachfolgenden Beschreibung werden mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein DISI-Motorsystem nach der Erfindung;
1A die gewünschten Verbrennungsmodi für den Motor nach 1 als Funktion von Motordrehzahl und Motordrehmoment;
1B ein Diagramm des in dem Motorsystem nach 1 genutzten Motors;
2 ein Drehmomentmodell des DISI-Motors nach 1;
3 ein Diagramm des Drehmomentregelsystems, das in dem Motor nach 1 verwendet wird;
4A ein zur Steuerung des DISI-Motors nach 1 verwendetes Drehmomentregelsystem, wenn der genannte Motor in einem Schichtladebetriebsmodus arbeitet;
4b ein zur Steuerung des DISI-Motors nach 1 verwendetes Drehmomentregelsystem, wenn der genannte Motor in einem homogenen stöchiometrischen Betriebsmodus arbeitet;
5 einen zeitlichen Verlauf des Motors nach 1 mit der Darstellung des genannten Übergangs des Motors von einem homogenen Betriebsmodus zu einem Schichtladebetriebsmodus;
6A ein Flußdiagramm des für die Umschaltung des Verbrennungsmodus entsprechend der Erfindung genutzten Prozesses; und
6B ein Flußdiagramm des für die Bestimmung machbarer Verbrennungsmodi entsprechend der Erfindung genutzten Prozesses.
Analoge Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen analoge Elemente.
Ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines Motorsteuersystems für einen DISI-Motor nach der vorliegenden Erfindung wird in 1 gezeigt. Das System 10 ist vorzugsweise ein Innenverbrennungsmotor, welcher eine Mehrzahl von durch den Zylinder 12 dargestellten Zylinder aufweist, welche entsprechende Verbrennungsräume 14 aufweisen. Wie der Fachmann erkennen wird, umfaßt das System 10 verschiedene Sensoren und Aktuatoren, um die Steuerung des Motors durchzuführen. Für jeden Zylinder 12 können ein oder mehrere Sensoren oder Aktuatoren verwendet werden, oder es kann ein einzelner Sensor oder Aktuator für den gesamten Motor verwendet werden. Beispielsweise kann jeder Zylinder 12 vier Aktuatoren aufweisen, die die Einlaßventile 16 und die Auslaßventile 18 steuern.
Das System 10 weist vorzugsweise ein Steuergerät 22 auf, welches einen Mikroprozessor 24 in Verbindung mit verschiedenen computerlesbaren Speichermedien aufweist. Die computerlesbaren Speichermedien umfassen vorzugsweise einen nicht löschbaren Festwertspeicher (ROM) 26, einen flüchtigen Schreib-/Lesespeicher (RAM) 28 und einen batteriestrom-gestützten Speicherchip (KAM) 30. Die computerlesbaren Speichermedien können unter Verwendung einer Anzahl von an sich bekannten Speichervorrichtungen, wie z. B. PROMs, EPROMs, EEPROMs, Blitzspeicher oder beliebige sonstige elektrische, magnetische oder optische Speicher implementiert werden, die in der Lage sind, vom Mikroprozessor (CPU) 24 bei der Steuerung des Motors verwendete Daten zu speichern. Der Mikroprozessor 24 steht mit den verschiedenen Sensoren und Aktuatoren über eine Input/Output(I/O)-Schnittstelle 32 in Verbindung.
Im Betrieb tritt Luft durch das Ansaugrohr 34 hindurch, wo sie über einen Ansaugkrümmer, der allgemein durch das Bezugszeichen 36 bezeichnet wird, auf die Mehrzahl von Zylindern verteilt werden kann. Das System 10 weist vorzugsweise einen Luftmassendurchsatzsensor 38 auf, der dem Steuergerät 22 ein entsprechendes für den Luftmassendurchsatz charakteristisches Signal (MAF) zuführt. Ein Drosselklappenventil 40 wird dazu verwendet, den Luftdurchsatz durch das Ansaugrohr 34 zu modulieren. Das Drosselklappenventil 40 wird hier beispielsweise durch einen geeigneten Aktuator 42 aufgrund eines entsprechenden, durch das Steuergerät 22 erzeugten Drosselklappensignals elektronisch gesteuert. Ein Drosselklappenstellungssensor 44 liefert ein für die tatsächliche Stellung des Drosselklappenventils 40 charakteristisches Rückmeldungssignal (TP) an das Steuergerät 22, um eine Regelung des Drosselklappenventils 40 im geschlossenen Regelkreis durchzuführen.
Ein Krümmerabsolutdrucksensor 46 wird dazu verwendet, an das Steuergerät 22 ein für den Ansaugkrümmerdruck charakteristisches Signal (MAP) abzugeben. Durch den Ansaugkrümmer 36 hindurchtretende Luft tritt durch entsprechende Steuerung eines oder mehrerer Einlaßventile 16 in den Verbrennungsraum 14 ein. Das Einlaßventil 16 und das Auslaßventil 18 können durch das Steuergerät 22 im Rahmen von Anwendungen variabler Nockensteuerungen gesteuert werden. Alternativ können das Einlaßventil 16 und das Auslaßventil 18 unter Verwendung einer an sich bekannten Nockenwellenanordnung gesteuert werden. Ein Kraftstoffinjektor 48 spritzt eine geeignete Menge Kraftstoff in einem oder mehreren Einspritzvorgängen für den aktuellen Betriebsmodus auf der Grundlage eines vom Steuergerät 22 erzeugten und vom Treiber 50 verarbeiteten Signals (FPW) ein.
Der in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 48 spritzt eine geeignete Menge Kraftstoff in einer oder mehreren Einspritzungen direkt in den Verbrennungsraum 14 ein. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzvorgänge basiert allgemein auf der Stellung des Kolbens 52 im Zylinder 12. Eine Kurbelwellenstellungsinformation wird durch einen entsprechenden Sensor 54 geliefert, der ein Positionsangabesignal (PIP) liefert, das für die Drehposition der Kurbelwelle 56 charakteristisch ist.
Der Betriebsmodus jeder Gruppe von Zylindern kann auf den aktuellen Betriebsbedingungen beruhen, um einen gewünschten Wert für einen Motorbetriebsparameter, wie z. B. das Drehmoment, zu erhalten. Entsprechend kann jeder Zylinder 12 im homogenen Modus betrieben werden, so daß im Verbrennungsraum 14 eine im wesentlichen homogene Mischung von Luft und Kraftstoff vorhanden ist, oder aber im geschichteten Modus, bei dem der Verbrennungsraum 14 verschiedene Schichten aufweist, die unterschiedliche Luft-/Kraftstoffgemische oder Luft-/Kraftstoffverhältnisse haben. Zum zweckdienlichen Zeitpunkt während des Verbrennungszyklus erzeugt das Steuergerät 22 ein Zündzeitpunktsignal (SA), welches vom Zündsystem 58 bearbeitet wird, um die Zündkerze 60 zu steuern und die Verbrennung in dem Verbrennungsraum 14 zu beginnen. Das Steuergerät 22 (oder eine konventionelle Nockenwelle) steuert eines oder mehrere Auslaßventile 18, um das verbrannte Luft-/Kraftstoffgemisch durch einen Auspuffkrümmer abzugeben. Eine Lambdasonde 62 liefert an das Steuergerät 22 ein Signal (EGO), welches für die Stöchiometrie des Inhalts der Abgase charakteristisch ist. Dieses Signal kann dazu verwendet werden, das Luft-/Kraftstoffverhältnis anzupassen oder den Betriebsmodus eines oder mehrerer Zylinder zu steuern. Das Abgas wird durch den Auspuffkrümmer und durch einen Katalysator 64 sowie die NO_x-Falle 66 geführt, bevor es an die Atmosphäre abgegeben wird. Es sollte klar sein, daß der Motor Abgasrückführung (EGR) mit einem EGR-Ventil, 1B, sowie ein nicht gezeigtes Drallsteuerventil oder eine sonstige Vorrichtung zur Bewegung der Ladung, wie z. B. Nockenwellenprofilumschalten (CPS), aufweist. Das Drallsteuerventil, welches auch als Sekundär-Drosselklappenventil bekannt ist, ist im Ansaugkrümmerkanal in der Nähe des Einlaßventils 16 angeordnet. Das Drallsteuerventil verleiht der in den Zylinder eintretenden Luftladung eine starke Drallbewegung. Diese Drallbewegung setzt sich durch den Ansaug-, den Verdichtungs- und den Arbeitshub des Motors fort und fördert eine schnelle Verbrennung, wodurch Kraftstoffverbrauchsverhalten und Emissionen verbessert werden. Das EGR-Ventil und das Drallsteuerventil werden in einer zu beschreibenden Weise durch von dem Steuergerät 22 abgegebene Signal gesteuert.
Der fremdgezündete Motor mit Direkteinspritzung nach 1 kann allgemein in mindestens zwei Betriebsmodi betrieben werden: homogener und Schichtlademodus. 1A zeigt die normalen Verbrennungsmodi für den Motor nach 1 als Funktion der Motordrehzahl N und des Motordrehmoments T_q. Der mögliche Verbrennungsmodus wird als der Modus (oder die Modi) bezeichnet, der dem Drehmomentbedarf gerecht werden kann und gleichzeitig die Bedingungen stabiler Verbrennung erfüllt. Die Bestimmung des möglichen Verbrennungsmodus liefert Kandidaten für die Auswahl des Betriebsmodus. Während einer gewissen Zeitdauer in der Übergangsphase ist möglicherweise der gewünschte Modus aufgrund der Ansaugdynamik und sonstiger Bedingungen, die verhindern, daß er als Betriebsmodus gewählt wird, nicht machbar. Eine wichtige Funktion des Modus-Umschaltsteuervorgangs oder Modusübergangsalgorithmus, der in dem ROM 26 des Steuergeräts 22 programmiert ist, ist die Bestimmung, wann der gewünschte Modus machbar wird. Das Programm wird nachstehend detaillierter beschrieben. Ein Flußdiagramm eines solchen Programms wird in Verbindung mit den 6A und 6B beschrieben. Es möge hier jedoch genügen auszuführen, daß der Modusübergangsalgorithmus nahtlose Übergänge zwischen verschiedenen Betriebsmodi für DISI-Motoren liefert. Das Steuerschema koordiniert sämtliche Aktuatoren durch:

(1) Überprüfen der Zustände im Zylinder, die durch Ladungsmenge, den Anteil verbrannten Gases und Drallintensität gekennzeichnet sind;
(2) Bestimmung des machbaren Verbrennungsmodus (oder der machbaren Modi) basierend auf den Zuständen im Zylinder;
(3) Bestimmung des besten Zeitpunkts für den Modusübergang und
(4) Prioritätenzuordnung zu den Aktuatoren (Kraftstoffzufuhr, Zündung, etc.) zur Minimierung von Kraftstoffverbrauch und NO_x-Emissionen.

Unter Bezugnahme auf 2 wird nun die Basisstruktur des Motordrehmomentmodells gezeigt. Das Bremsmoment wird in eine Summe zweier Komponenten zerlegt: das indizierte Drehmoment und den Reibungsverlust. Während der Reibungsverlust, der sowohl den Pumpverlust als auch die mechanische Reibung umfaßt, primär eine Funktion der Motordrehzahl und des Krümmerdrucks ist, ist das Modell des indizierten Drehmoments komplizierter und hat bei verschiedenen Verbrennungsmodi unterschiedliche Eigenschaften. Auf der Grundlage der Analyse von Motorkennfelddaten wurde das folgende Drehmomentmodell entwickelt: τ_b = τ_i + τ_f (1) worin

τ_b: das Bremsmoment ist,
τ_i: das indizierte Drehmoment ist, und
τ_f: Reibungsdrehmoment und Pumpverlust = f₀(N, σ) + f₁(N, σ)P_i ist, worin f₀ und f₁ verschiedene funktionale Beziehungen sind, die von der Motorkonstruktion abhängen, N ist die Motordrehzahl, σ ist die Stellung des Drallsteuerventils und P_i ist der Ansaugkrümmerdruck.

Für den Betrieb in einem Schichtlademodus des Motors: τ_i = (a^s(N, P_i, P_f, F_i, r_c, σ, t_i) + b^s(N, P_i, F_i, σ)(δ – δ_M)²)W_f (2) worin a^s und b^s Funktionen von Motorbetriebsvariablen sind, deren Koeffizienten aufgrund von vorbestimmten Schichtladekennfelddaten des Motors identifiziert werden können;

P_f: ist der Druck in der Kraftstoffzuführleitung;
F_i: ist der Anteil verbrannten Gases;
r_c: ist das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Zylinder (AFR);
σ: ist die Stellung des Drallsteuerventils;
t_i: ist der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt;
δ: ist der Zündzeitpunkt;
δ_M: ist der Zündzeitpunkt entsprechend dem maximalen Bremsmoment des Motors (als MBT-Zündzeitpunkt bezeichnet) und
W_f: die Kraftstoffmenge.

Für den Betrieb in einem homogenen Betriebsmodus: τ_i = (a^h(N, P_i, r_c) + b^h(N, P_i, r_c, F_i, σ)(δ – δ_M)²)W_f (3) worin a^h und b^h Funktionen von Motorbetriebsvariablen sind, deren Koeffizienten aufgrund von vorbestimmten homogenen Kennfelddaten des Motors identifiziert werden können.
Die Korrelation des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment (MBT) und der Motorsteuervariablen wird auch durch die Regression von Motorkennfelddaten festgelegt, und wird gegeben als:
Für einen im Schichtladebetriebsmodus arbeitenden Motor: δ_MBT = c^s(t_i, r_c, N, F_i, P_i, σ) und für einen im homogenen Modus arbeitenden Motor, δ_MBT = c^h(F_i, r_c, N, P_i) worin c^s und c^h Funktionen von Motorbetriebsvariablen sind, die aufgrund von Kennfelddaten des Motors für eine bestimmte Motorkonstruktion identifiziert werden können.
Um fahrzeugspezifische Erfordernisse der Rechnergeschwindigkeit und des Speicherplatzes zu berücksichtigen, wird das vollständige Drehmomentmodell (Gleichungen (2) und (3)) vereinfacht, wenn es für die Echtzeitsteuerung herangezogen wird. Da das Luft-/Kraftstoffverhältnis und die Kraftstoffmenge für feste Zustände im Zylinder keine unabhängigen Variablen sind, wird die folgende vereinfachte Modellstruktur für die Umsetzung der Steuerung an Bord des Fahrzeuges angenommen:
Für den Schichtladebetriebsmodus: τ_i = (a s / 0(N, σ)r_c + a s / l(N, σ) + (b s / 0(N, F_i)r_c + b s / l(N, F_i))(δ – δ_MBT)²)W_f = a s / 0(N, σ)W_acyl + a s / l(N, σ)W_f + (b s / 0(N, F_i)W_acyl + b s / l(N, F_i)W_f)(δ – δ_MTB)² (4) worin W_acyl die Zylinderluftlademenge (ohne verbranntes Gas) ist.
Für den homogenen Betriebsmodus: τ_i = (a h / 0(N, σ)r_c + a h / l(N, σ) + (b h / 0(N, F_i)r_c + b h / l(N, F_i))(δ – δ_MBT)²)W_f = a h / 0(N, σ)W_acyl + a h / l(N, σ)W_f + (b h / 0(N, F_i)W_acyl + b h / l(N, F_i)W_f)(δ – δ_MTB)² (5)
Wenn notwendig, können die für die Modellierung des angegebenen Drehmoments beim homogenen und Schichtlademodus verwendeten Funktionen a, b erweitert werden, so daß ihre Empfindlichkeit gegenüber anderen Variablen, wie Ansaugkrümmerdruck und Drallsteuerventil, mit eingeschlossen ist.
Damit ein DISI-Motor das vom Fahrer angeforderte und für zubehörbedingte Lasten notwendige Drehmoment bei gleichzeitiger Einhaltung der Betriebserfordernisse des Abgasnachbehandlungssystem abgeben kann, muß das Steuersystem aktiv sämtliche verfügbaren Steueraktuatoren, einschließlich Kraftstoff (Menge und Zeitpunkt), Drosselklappe, EGR, Zündzeitpunkt usw. koordinieren. Die Schlüsselfunktionen der Drehmomentsteuerfunktion umfassen:
Planung: zur Bestimmung des optimalen Betriebsmodus und der Zielpunkte für Drosselklappe, EGR, Krümmerdruck bei einem gegebenen angeforderten Drehmoment, Motordrehzahl und Status des Abgasnachbehandlungsystems.
Schätzung: um sämtliche erforderlichen Variablen und Signale für die Drehmomentregelung zu liefern. Schlüsselvariablen umfassen Reibungsdrehmoment und Pumpverluste, MBT-Zündzeitpunkt und Status im Zylinder (Ladungsmenge, Ladungszusammensetzung und Ladungsbewegung).
Abgabe: um die schnellen Aktuatoren, wie Kraftstoff und Zündzeitpunkt, um dem augenblicklichen Drehmomentbedarf für gegebene Zustände im Zylinder gerecht zu werden, zu steuern.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nun ein System für die Erzeugung der Luftladungssteuersignale durch die Ladungssteuerung 102 gezeigt (d. h. Drosselklappenstellung, Stellung des Abgasrückführungs(EGR)-Ventils und Stellung des Drallsteuerventils) sowie der Drehmomentregelsignale durch die Drehmomentregelung 104 (d. h. Kraftstoffsteuerung fpw und Zündzeitpunkt SA) und eines Ladungskorrekturterms, befohlene Ladung (4A und 4B), wenn Kraftstoff und Zündzeitpunkt, wie gezeigt, nicht ausreichen. Wie nachstehend detaillierter beschrieben wird, erfolgen Zielpunktberechnungen 106, wobei diese Zielpunkte der gewünschte Ansaugkrümmerdruck P^d _i, die gewünschte Zylinderladungsmenge W^d _cyl, der gewünschte Anteil an verbranntem Gas F^d _i und der gewünschte Verbrennungsmodus M^d sind. Es sollte klar sein, daß der gewünschte EGR-Strom W^d _egr und der gewünschte Drosselklappenstrom W^d _th ausgehend von dem gewünschten Zylinderstrom W^d _cyl und dem gewünschten Anteil an verbranntem Gas F^d _i berechnet werden können. Die Berechnungen von W^d _egr und W^d _th werden nachstehend im Detail beschrieben.
Eine Luftladungsschätzung 108 wird aufgrund des Drosselklappenplattenstellungs-, EGR-Stellungssignals bzw. des Drallsteuerventilstellungssignals oder des Signals einer anderen Vorrichtung zur Ladungsbewegung berechnet. Diese Ladungsschätzung liefert die tatsächliche Zylinderladungsmenge W_cyl und den Anteil an verbranntem Gas F_i.
Eine Schätzung des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment 110 wird durch andere Eingangsgrößen, einschließlich gemessener Motordrehzahl N und aktuellem Luft-/Kraftstoffverhältnis, eingespeist. Die Schätzung des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment δ_MBT wird in die Drehmomentregelung 104 eingespeist.
Eine Verbrennungsmodussteuerung 112 wird mit der aktuellen Zylinderladungsmenge W_cyl und dem Anteil an verbranntem Gas F_i aus der Ladungsschätzung 108 und dem gewünschten Verbrennungsmodus M^d aufgrund der Zielpunktschätzung 106 versorgt, um in einer nachstehend in Verbindung mit den 6A und 6B zu beschreibenden Weise den Verbrennungsbetriebsmodus M° auszuwählen. Hier möge es genügen auszuführen, daß die Drehmomentregelung 104 als Reaktion auf den gewählten Verbrennungsbetriebsmodus M° die aktuelle Zylinderluftladungsmenge W_cyl und der Anteil an verbranntem Gas F_i, die durch die Ladungsschätzung 108 geliefert werden, und die Schätzung des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment δ_MBT, welche von der Schätzung des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment 110 geliefert wird, das Kraftstoffsteuersignal fpw und das Zündzeitpunktsteuersignal SA in einer nachstehend in Verbindung mit den 6A und 6B zu beschreibenden Weise abgibt.
BERECHNUNG DES ZIELPUNKTES 106
Die Zielpunkte beziehen sich auf die gewünschten Werte für Zylinderladung, Anteil an verbranntem Gas, Krümmerdruck usw., um dem gewünschten Drehmomentbedarf gerecht zu werden und gleichzeitig das Kraftstoffverbrauchsverhalten und die Emissionen zu optimieren. Es gibt zwei Arten von Zielpunkten:
die Zielpunkte des ersten Typs werden durch die Look-up-Tabellen definiert, die das gewünschte Luft-/Kraftstoffverhältnis (AFR), die gewünschte EGR-Rate, den gewünschten Zündzeitpunkt für einen bestimmten Drehzahl- und Drehmomentzustand liefern. Diese Tabellen werden off-line optimiert und dann im Speicher des Steuergeräts 22 (1) abgespeichert, und
die Zielpunkte des zweiten Typs werden on-line durch das Steuergerät 22 berechnet, um die gewünschte Zylinderladung, den Anteil an verbranntem Gas und den Ansaugkrümmerdruck zur Erreichung des gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, der gewünschten EGR-Rate und sonstiger gewünschter Verbrennungszustände, die den optimalen Betrieb des Motors erleichtern, berechnet.
Gegeben sei das abgerufene Drehmoment τ d / b , das aufgrund der vom Fahrer gewählten Gaspedalstellung und sonstiger zusätzlicher Lastzustände berechnet wird, das angeforderte angegebene Drehmoment wird dann bestimmt als: τ d / i = τ d / b – τ ^_f worin τ ^_f eine Schätzung von Reibungs- und Pumpverlusten ist (anzumerken ist, daß τ ^_f im Wert negativ ist), die nachstehend erörtert wird.
Es sei angenommen, daß r d / c , F d / i , δ d / 0 , σ^d die gewünschten Werte für das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Zylinder, den Anteil an verbranntem Gas, die Zündzeitpunktabweichung vom Wert des Zündzeitpunkts für maximales Bremsmoment (d. h. δ d / 0 = δ^d – δ_MBT ) bzw. die Stellung des Drallsteuerventils sind. Diese Werte werden aufgrund von im Steuergerät 22 (1) abgespeicherten Lookup-Tabellen als Funktionen von Motordrehzahl und Motordrehmoment bestimmt, welche wiederum durch den Off-line-Kalibrierungsprozeß bestimmt wurden.
Wie oben ausgeführt bestimmt die Berechnung des Zielpunktes 106 den gewünschten Verbrennungsmodus m^d, hier aufgrund einer in dem Steuergerät 22 (1) abgespeicherten Lookup-Tabelle, die zusätzlich zum Motordrehzahl- und zum Drehmomentbedarf auch Inputs aus der Software des Abgasnachbehandlungssystemmoduls im Steuergerät 22 übernimmt, dessen Bedarf zur Bedienung der LNT (lean NO_x trap)(d. h. also die Spülung der LNT) möglicherweise den zu wählenden Modus vorgibt. Entsprechend den Drehmomentgleichungen (4), (5) oben ergibt sich:
Aufgrund der obigen Gleichung (6) kann für W d / cyl und demzufolge W d / acyl die Lösung gefunden werden. (Es sollte angemerkt werden, daß: wenn die Funktionen a, b in der Gleichung (6) auch vom Ansaugkrümmerdruck P_i abhängen, die Volumenwirkungsgradbeziehung: W d / cyl = g₀(N, σ^d) + g₁(N, σ^d)P d / i entsprechend in Verbindung mit der obigen Gleichung (6) zu verwenden ist, um den gewünschten Zylinderladungszielpunkt W d / cyl zu bestimmen), worin g₀ und g₁ eine Funktion der Motordrehzahl und der Position der Ladungsbewegungssteuervorrichtung sind. Diese Funktionen können aufgrund der Kennfelddaten bei einem bestimmten interessierenden Motor ermittelt werden. Die Ausdrücke a, b in der Gleichung (6) oben werden nach dem Wert m^d gewählt. Wenn W d / cyl gegeben ist, ist es möglich, die gewünschten EGR- bzw. Drosselklappenströme als
zu berechnen, worin

r_exh: das Abgas-Luft-/Kraftstoffverhältnis und
r_stoich: der Wert des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses ist.

Die Werte W d / egr , W d / th können dann der Ladungssteuerung 102 (3) mitgeteilt werden, um die Drosselklappen-, Abgasrückführungs(EGR)- und Drallsteuerventilstellungen umzusetzen, die zu den gewünschten Ladungsbedingungen führen.
SCHÄTZUNG DER LUFTLADUNG 108
Für eine wirksame Drehmomentregelung verläßt sich die Strategie auf mehrere Schlüsselvariablen, die on-line zu schätzen sind.
Zustand im Zylinder: Dieser umfaßt die Ladung im Zylinder, den Anteil an verbranntem Gas und die Ladungsbewegung. Die Algorithmen für die Schätzung der Ladung im Zylinder und des Anteils an verbranntem Gas wurden in vielen Patenten behandelt, beispielsweise U.S. Patent Nr. 6.311.679 , Druzhimina et al. erteilt am 6. November 2001, mit dem Titel „System and Method of Controlling Air-Charge in Direct Injection Lean-Burn Engines”, das dem gleichen Zessionär abgetreten wurde, wie die vorliegende Erfindung. Für die Ladungsbewegung kann der genannte Anteil direkt mit dem Befehl für den Aktuator zur Steuerung der Ladungsbewegung korreliert werden. Bei vielen DISI-Motoren wird ein Drallsteuerventil an der Einlaßöffnung dazu verwendet, verschiedene Ladungsbewegungen zu bewirken, demzufolge ist die Ladungsbewegung direkt mit der Stellung des Drallsteuerventils korreliert.
Reibungs- und Pumpverluste: Dies kann aufgrund der Messungen der Motordrehzahl N und des Krümmerdrucks P_i unter Verwendung der Gleichung (2) geschätzt werden. Für die Implementierung an Bord werden der Versatz f₀ und die Neigung f₁ in Gleichung (2) durch zweidimensionale Lookup-Tabellen ersetzt, um Online-Rechnerzeit zu sparen. Das Reibungsdrehmoment und die Pumpverluste sind unabhängig vom Verbrennungsmodus.
SCHÄTZUNG DES ZÜNDZEITPUNKTS FÜR MAXIMALES BREMSMOMENT 110
Eine vereinfachte Version des Modells wird dazu benutzt, den Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment für jeden Verbrennungsvorgang zu evaluieren:
Für den Schichtladebetriebsmodus: δ s / MBT = 7,57 +, 19_τi + 0,0193NF_i
Für den homogenen Betriebsmodus: δ s / MBT = 9,95 + 0,0004Nr_c + 0,0036Nσ + 0,0464NF_i
Diese Funktionen ändern sich für unterschiedliche Motoren, und sie können aufgrund der Motorkennfelddaten ermittelt werden.
VERBRENNUNGSMODUSSTEUERUNG 112 UND DREHMOMENTREGELUNG 104
Das System in 3 muß das angeforderte Drehmoment abgeben. Für den unmittelbar anschließenden Verbrennungsvorgang stehen die Bedingungen im Zylinder nunmehr fest, und demzufolge haben sämtliche langsamen Stellungsaktuatoren, wie z. B. Drosselklappe, EGR-Ventil, Drallsteuerventil, Kraftstoffzuführleitungsdruck usw., keine Wirkung auf diesen Verbrennungsvorgang, obwohl sie zukünftige Vorgänge beeinflussen können. Dies bedeutet, daß Zündzeitpunkt und Kraftstoff die einzigen beiden verbleibenden schnellen Steuergrößen sind, die den momentanen Drehmomentbedarf erfüllen können.
Die entsprechenden Kraftstoff- und Zündzeitpunktbefehle können berechnet werden aus: τ d / i = a₀(N)W_acyl + a_l(N)W_f + (b₀(N, F_i)W_acyl + b_l(N, F_i)W_f)(δ – δ_MBT)² worin N gemessen wird und W_acyl, F_i, δ_MBT geschätzte Variablen sind. Wenn immer möglich, ist es wünschenswert, bei δ = δ^d im Hinblick auf bestes Kraftstoffverbrauchsverhalten und Emissionsleistung zu arbeiten. Je nach dem Betriebsmodus ist es möglich und manchmal notwendig, für dem Zündzeitpunkt von δ^d abzuweichen, um den Drehmomentbedarf zu decken, insbesondere bei Übergängen. Bei unterschiedlichen Modi sind die Zwänge und die Kraftstoff-/Zündzeitpunkteinflußbereiche unterschiedlich und führen demzufolge zu unterschiedlichen Strategien:
Homogen-stöchiometrisch: Der stöchiometrische Modus bezieht sich sowohl auf stöchiometrischen wie auch Betrieb mit fettem Luft-/Kraftstoffverhältnis (AFR). Bei diesem Modus wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis eng eingegrenzt, um den Katalysatorwirkungsgrad zu maximieren. Demzufolge wird Kraftstoff eingesetzt, um dem AFR-Steuererfordernis gerecht zu werden. Damit verbleibt der Zündzeitpunkt als einziger schneller Aktuator, um den aktuellen Drehmomentbedarf zu decken. Während die Drosselklappe und die Abgasrückführung (EGR) gesteuert werden, um die gewünschten Zielpunkte für Krümmerdruck, Zylinderladung und Anteil an verbranntem Gas zu erreichen, können sie auch so abgestimmt werden, daß sie die Übergangsdrehmomentsteuerleistung für zukünftige Verbrennungsvorgänge aber nicht den unmittelbar folgenden beeinflussen, 4B.
Schichtladebetrieb: Beim Schichtladebetrieb ist der Zwang hinsichtlich des Luft-/Kraftstoffverhältnisses nicht so eng wie beim stöchiometrischen Betrieb. Dies ermöglicht es, daß die Kraftstoffmenge als primärer Steueraktuator für die Drehmomentregelung während des Übergangs verwendet wird. Auf der anderen Seite hat der Zündzeitpunkt, mit Ausnahme der Beeinflussung der Verbrennungsstabilität sehr wenig Einfluß auf das Motordrehmoment (die Zündzeitpunkt-Empfindlichkeitsfunktion für Drehmoment ist innerhalb des stabilen Verbrennungsfensters fast flach). In diesem Fall wird primär die Drosselklappe verwendet, um den Zielpunkt für das Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen, wohingegen Kraftstoff (mit großer Steuerwirksamkeit) dazu verwendet wird, den augenblicklichen Drehmomentbedarf zu decken, 4A.
Homogener Magerbetrieb: Der homogene Magerbetrieb liegt zwischen dem Schichtlade- und dem stöchiometrischen Betrieb, wobei sowohl der Kraftstoff wie auch der Zündzeitpunkt einigen Einfluß hinsichtlich Drehmoment- und Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses bieten.
Die 4A und 4B zeigen die Diagramme der Drehmomentregelung für verschiedene Betriebsmodi (d. h. Schichtlade- bzw. homogener stöchiometrischer Betrieb). Wie aus den Diagrammen hervorgeht, liegen die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen Modi in der Steuerzielsetzungspriorität und Steuerungseinflußgrenzen.
Algorithmus für Moduswechsel
Die Umschaltung des Verbrennungsmodus, die hier durch die Modussteuerung 112 in einer in Verbindung mit den 6A und 6B detaillierter zu beschreibenden Form bewirkt wird, ist bei einem DISI-Motor sehr kritisch für sämtliche wichtigen Antriebsstrangeigenschaften, einschließlich Kraftstoffverbrauchsverhalten, Emission und Fahrverhalten. Um eine wirksame LNT-Spülung auszuführen und den damit einhergehenden Kraftstoffmehrverbrauch zu minimieren, ist es erforderlich, rasche Übergänge zwischen dem homogenen und dem Schichtladebetrieb zu bewirken, ohne merkbare Drehmomentstörungen zu verursachen. Dies erfordert eine enge Abstimmung sämtlicher involvierter Aktuatoren.
Wenn der gewünschte Modus von m^d (alt) auf m^d (neu) umgeschaltet wird, bewirkt das Steuersystem mehrere Schritte zur Veränderung der Ansang- und zylinderinternen Bedingungen, um einen sanften Übergang zu bewirken:

1. Die Zielpunkte für Zylinderladung, Krümmerdruck und Anteil an verbranntem Gas werden durch die Berechnung des Zielpunktes 106 (3) für m^d (neu) neu berechnet. Drosselklappenstellung, EGR-Ventilstellung und Drallsteuerventilstellung werden dann durch die Ladungssteuerung 103 (3) entsprechend geändert, um die neuen Zielpunkte zu erreichen.
2. Die aktuellen Bedingungen im Zylinder werden bewertet, um durch die Verbrennungsmodussteuerung 112 den machbaren Verbrennungsmodus festzusetzen, wie dies detaillierter in Verbindung mit den 6A und 6B beschrieben werden wird. Wenn der neue gewünschte Modus machbar ist, kann der Moduswechsel sofort ausgeführt werden. Ansonsten wird der Moduswechsel aufgeschoben. Inzwischen wird ein geeigneter Betriebsmodus ausgewählt, um die Drehmomentstörung zu minimieren. Wenn m^d (alt) zum machbaren Modus gehört, wird er als sofortiger Betriebsmodus gewählt, um Drehmomentstörungen und den Übergang auf ein Minimum zu reduzieren. In diesem Fall muß der Schritt wiederholt werden, bis der Zustand im Ansaugkrümmer so geändert wurde, daß m^d (neu) möglich wird, 112, wie dies detaillierter in Verbindung mit den 6A und 6B beschrieben werden wird.
3. Wenn der Verbrennungsmodus im Schritt 2 gewählt wurde, werden Kraftstoff und Zündzeitpunkt durch die Drehmomentregelung 104 eingestellt, wie dies detaillierter in Verbindung mit den 6A und 6B beschrieben werden wird, um dem Drehmomentbedarf innerhalb ihrer spezifischen Einflußbereiche nachzukommen.

Die Berechnung für die Zielpunkte (Schritt 1) und die Bestimmung von Kraftstoff und Zündzeitpunkt, um dem augenblicklichen Drehmomentbedarf nachzukommen (Schritt 3) werden oben in Verbindung mit der Zielpunktberechnung 106 erörtert. Schritt 2 ist entscheidend für die Übergangslleistung, da er den Zeitpunkt bestimmt, zu dem das Umschalten stattfindet. Wenn das Umschalten zu früh erfolgt, bevor die Ansaug- und zylinderinternen Bedingungen für den neuen Verbrennungsmodus bereit sind, führt dies zu einem rauhen Übergang und demzufolge zu Problemen hinsichtlich des Fahrverhaltens. Wenn auf der anderen Seite die Umschaltung überfällig ist und die Bedingungen bereits gegeben sind, wird damit die Übergangszeit verlängert, was die Leistung ungünstig beeinflußt. Wenn der Übergang aufgrund der LNT-Spülung notwendig ist, wird ein im Zeitablauf falsch berechneter Wechsel auch ernste negative Auswirkungen auf das Kraftstoffverbrauchsverhalten und die Emissionen haben.
Die Machbarkeit eines gegebenen Verbrennungsmodus wird durch die Ansaug- und zylinderinternen Bedingungen verbunden mit dem abgerufenen Drehmomentwert bestimmt. Wenn der Ansaugkrümmerdruck zu hoch ist und das angeforderte Drehmoment niedrig ist, kann der homogene Modus ausgeschlossen sein, weil das zylinderinterne Luft- und Kraftstoff-Verhältnis möglicherweise zu mager ist, um eine stabile Verbrennung zu erzielen. Wenn auf der anderen Seite der Ansaugkrümmerdruck zu niedrig ist und der Drehmomentbedarf hoch ist, ist die Schichtladeverbrennung nicht möglich, da das für das Decken des Drehmomentbedarfs erforderliche Luft-/Kraftstoffverhältnis möglicherweise zu niedrig ist und zu Rauch im Auspuff führt. Wenn festgestellt wird, daß die homogene Verbrennung durch die niedrigen Drehmomenterfordernisse und der Schichtladebetrieb durch hohe Drehmomenterfordernisse einschränkt wird, sind die Grenzbedingungen, die die machbaren Modi bestimmen, durch das maximale geschichtete Drehmoment (τ_max,s) und das minimale homogene Drehmoment (τ_min,h) einschränkt, die bei einem gegebenen zylinderinternen Zustand erzeugt werden können.
Es wird nun auf 6A Bezug genommen. Wenn ein Umschalten des Verbrennungsmodus aufgrund der Motormanagementfunktion erforderlich ist (Schritt 200), wird eine Gruppe machbarer Betriebsmodi M_f bestimmt. Diese Bestimmung wird unter Bezugnahme auf 6B gezeigt. Bei jedem Samplingzeitpunkt sind W_acyl, F_i die aktualisierte Zylinderluftladung bzw. der Anteil an verbrannten Gasen. Dann werden τ_max,s, τ_min,h, berechnet als τ_max,s = a s / 0(N)W_acyl + a s / l(N)W_acyl|r s / c,min τ_min,h = a h / 0(N)W_acyl + a s / l(N)W_acyl|r h / c,max + (b h / 0(N, F)_i + b h / l(N)W_acyl|r h / c,max)δ 2 / max,h worin r s / c,mix die untere Grenze des zylinderinternen Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb ist, r h / c,max die obere Grenze für den homogenen Betrieb ist und δ_max,h die maximale Spätzündung (gegenüber der Zündung für maximales Bremsmoment (MBT)), die im homogenen Betrieb zulässig sind. Hier wird angenommen, daß das maximale Drehmoment mit der maximalen Kraftstoffmenge, (d. h. minimales Luft-/Kraftstoffverhältnis) und mit Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment erreicht wird, während das minimale Drehmoment mit der minimalen Kraftstoffmenge (maximales Luft-/Kraftstoffverhältnis) und maximaler Spätzündung (gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment) erreicht wird. Es sollte angemerkt werden, daß dieser Grenzzustand während des Übergangs nicht unveränderlich ist. Er ändert sich in dem Maße, wie sich Ansaug- und zylinderinterne Bedingungen ändern.
Bei einer gegebenen Bremsmomentanforderung τ^d wird dann der machbare Modus für die Stützung einer stabilen Verbrennung dadurch bestimmt, daß die Pumpverluste und Reibungswirkungen ebenso berücksichtigt werden wie die Grenzbedingungen für jeden Modus: m_s ∊ M_f wenn τ d / i ≤ τ_max,s, m_h ∊ M_f wenn τ d / i ≥ τ_min,h, worin τ d / i = τ^d – τ _f und M_f eine Reihe machbarer Modi sind. Abhängig von τ d / i und seiner Beziehung mit τ_max,s, τ_min,h gibt es drei mögliche Szenarien für einen DISI-Motor mit zwei getrennten Betriebsmodi:

(1) M_f = {m_s} oder M_f = {m_h} (wobei angemerkt wird, daß nur ein Modus machbar ist),
(2) M_f = {m_s, m_h} (d. h. beide Modi sind machbar) oder
(3) M = ϕ (null, kein Modus ist machbar, d. h. die Drehmomentanforderung kann unter den gegebenen Umständen in keinem Modus erfüllt werden).

Nachdem der machbare Modus bestimmt wurde, wird der Betriebsmodus für den unmittelbar folgenden Verbrennungsvorgang gewählt als: m° = m^d, wenn m^d ∊M_f m° = arg{min_m∊Mf(|τ d / i – τ_i(m)|)}, wenn m^d ∉M_f und M_f ≠ ϕ m° = arg{min_m(|τ d / i – τ_i(m)|)}, wenn M_f≠ ϕ
Dementsprechend erfolgt unter Bezugnahme auf 6B im Schritt 201 eine Bestimmung dahingehend, ob τ d / i ≤ τ_max,s und τ d / i ≥ τ_min,h . Wenn dies zutrifft, umfaßt M_f sowohl m_s als auch m_h. Wenn andererseits im Schritt 201 die Bedingung nicht erfüllt ist, erfolgt im Schritt 202 eine Bestimmung dahingehend, ob τ d / i ≤ τ_max,s . Wenn dies zutrifft, enthält M_f nur m_s, ansonsten erfolgt im Schritt 204 eine Feststellung dahingehend, ob τ d / i ≥ τ_min,h . Wenn dies zutrifft, umfaßt M_f lediglich m_h. Wenn im Schritt 204 τ d / i < τ_min,h , gibt es keinen machbaren Modus, d. h. M_f ist leer, und das angeforderte Drehmoment kann unter den gegebenen Verhältnissen durch keinen Modus geliefert werden.
Es wird erneut auf 6A Bezug genommen. Es wurde eine Reihe von machbaren Modi M_f festgestellt, und es erfolgt im Schritt 206 eine Feststellung dahingehend, ob der angeforderte Verbrennungsmodus m^d zu der Gruppe machbarer Modi gehört, d. h. ist m^d ∊ M_f? Wenn dies zutrifft, wird der Verbrennungsmodus m° auf den gewünschten Verbrennungsmodus umgestellt, d. h. m° = m^d. Wenn auf der anderen Seite im Schritt 206 m^d ∊ M_f, erfolgt im Schritt 208 eine Feststellung dahingehend, ob M_f leer ist, d. h. ϕ. Wenn M_f nicht leer ist, d. h. nicht ϕ ist, wird der alte Modus nicht geändert. Das heißt, (1) der gewünschte Modus ist nicht machbar, (2) es gibt keinen weiteren Modus, der machbar ist, was bedeutet, daß der aktuelle Modus machbar ist, aber nicht gewünscht wird. In diesem Fall wird der aktuelle Modus so lange gehalten, bis der Zustand die Umschaltung desselben erlaubt. Wenn das DISI-System mehr als zwei Modi umfaßt, verwendet es, wenn es nicht leer ist, einen beliebigen Modus, der das angeforderte Drehmoment abzugeben vermag, wobei üblicherweise die Präferenz dem aktuellen Betriebsmodus gegeben wird.
Wenn im Schritt 208 M_f leer ist, erfolgt im Schritt 210 eine Feststellung dahingehend, ob |τ d / i – τ_min,h| ≤ |τ d / i – τ_max,s| . Wenn dies zutrifft, m° = m_h, ansonsten m° = m_s.
Wenn somit der Verbrennungsmodus m° gewählt wurde (d. h. die Verbrennungsmodussteuerung 12, 3), erfolgt eine Feststellung dahingehend, ob die Drehmomentregelung 104 während des Modusübergangs den Zündzeitpunkt für die Drehmomentregelung oder den Kraftstoff für die Drehmomentregelung verwenden sollte. Somit wird im Schritt 210 eine Feststellung getroffen, ob m° = m_s. Ist dies zutreffend, wird der Kraftstoff dazu bestimmt, die Steuerung während des Modusübergangs zu übernehmen, ansonsten wird der Zündzeitpunkt verwendet.
5 zeigt, wie machbare Modi ermittelt werden und welche Signale bei der Entscheidungsfindung während eines Übergangs vom homogenen zum geschichteten Betrieb involviert sind. Bei t = T₁ wird m^d von m_h auf m_s geändert, wenn eine Anforderung eines Übergangs erfolgt. Die Drosselklappen- und die Abgasrückführungs(EGR)-Ventilstellung werden für die neuen Zielpunkte, welche einem höheren Ansaugkrümmerdruck entsprechen, weiter geöffnet. Jedoch t < t₂, M_f = {m_h} (da τ d / i ≥ τ_max,s), was nahelegt, daß der homogene Betrieb der einzig machbare Verbrennungsmodus ist, um den Drehmomentbedarf zu decken. Demzufolge m° m_h = m^d (alt), der Modus kann zum Zeitpunkt t₁, wenn dies angefordert wird, nicht sofort vom homogenen auf den Schichtlademodus umgeschaltet werden. Zum Zeitpunkt t = t₂ kann aus 5 ersehen werden, daß τ d / i ≤ τ_max,s das erste Mal erfüllt wird, wenn m_s ∊ M_f erfüllt wird. Für t₃ ≥ t ≥ t₂, M_f = {m_s, m_h}, wobei beide Modi machbar sind. Der tatsächliche Moduswechsel tritt bei t = t₂ ein, da dies der frühestmögliche Zeitpunkt ist, um den neuen gewünschten Verbrennungsmodus umzusetzen. Da der Zustand im Ansaugbereich sich weiter in Richtung auf die neuen geschichteten Zielpunkte ändert, wird bei t = t₃, M_f = {m_s} der Schichtladebetrieb der einzige machbare Betriebsmodus.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Innenverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, wobei der genannte Motor geeignet ist, in einem unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi ausgewählten Betriebsmodus zu arbeiten, wobei einer der genannten Modi durch Schichtladeverbrennung und der andere der genannten Modi durch homogene Verbrennung gekennzeichnet sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Bestimmen eines bevorzugten Betriebsmodus aufgrund der Betriebszustände des Motors und eines angeforderten Drehmoments, auf der Grundlage des genannten angeforderten Drehmoments Bestimmen, ob der Betrieb in dem genannten bevorzugten Betriebsmodus machbar ist, und Übergang zu dem bevorzugten Betriebsmodus, wenn der genannte bevorzugte Betriebsmodus als machbar festgestellt wurde; ansonsten Betreiben des genannten Motors in einem der Modi, die eine minimale Differenz zwischen dem in einem der genannten Modi abgegebenen Drehmoment und dem angeforderten Drehmoment entstehen lassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Machbarkeitsfeststellung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: Bestimmen des maximalen Drehmoments τ_max,s, das von dem genannten Motor im Schichtlademodus abgegeben werden kann, Bestimmen des minimalen Drehmoments τ_min,h, das von dem genannten Modus im homogenen Modus abgegeben werden kann, Bestimmen, daß der Betrieb des Motors im Schichtladebetrieb machbar ist, wenn das angeforderte Drehmoment niedriger ist als das bestimmte maximale Drehmoment τ_max,s, und Bestimmen, daß der Betrieb des Motors im homogenen Modus machbar ist, wenn das angeforderte Drehmoment größer oder gleich ist wie das bestimmte minimale Drehmoment τ_min,h.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Drehmoment τ_max,s bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung und Anteil an verbranntem Gas in einem Zylinder des genannten Motors und einer unteren Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb des genannten Motors.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, eines oberen Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Ändern des Zündzeitpunktes, um das angeforderte Drehmoment zu erreichen, wenn im homogenen Modus gearbeitet wird, und Ändern des Kraftstoffstroms, wenn im Schichtlademodus gearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Drehmoment τ_max,s bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung und Anteil an verbranntem Gas in einem Zylinder des genannten Motors und einer unteren Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb des genannten Motors.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverzögerung gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
System für die Steuerung eines Innenverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, wobei der genannte Motor geeignet ist, in einem unter einer Mehrzahl von Betriebsmodi ausgewählten Betriebsmodus zu arbeiten, wobei einer der genannten Modi durch Schichtladeverbrennung und der andere der genannten Modi durch homogene Verbrennung gekennzeichnet sind, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: ein Steuergerät, wobei das genannte Steuergerät programmiert ist für das Bestimmen eines bevorzugten Betriebsmodus aufgrund der Betriebszustände des Motors und eines angeforderten Drehmoments, das Bestimmen auf der Grundlage des genannten angeforderten Drehmoments, ob der Betrieb in dem genannten bevorzugten Betriebsmodus machbar ist, und das Übergehen zu dem bevorzugten Betriebsmodus, wenn der genannte bevorzugte Betriebsmodus als machbar festgestellt wurde; ansonsten das Betreiben des genannten Motors in einem der Modi, die eine minimale Differenz zwischen dem in einem der genannten Modi abgegebenen Drehmoment und dem angeforderten Drehmoment entstehen lassen.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät so programmiert ist, daß es die Machbarkeit feststellt durch: Bestimmen des maximalen Drehmoments τ_max,s, das von dem genannten Motor im Schichtlademodus abgegeben werden kann, Bestimmen des minimalen Drehmoments τ_min,h, das von dem genannten Modus im homogenen Modus abgegeben werden kann, Bestimmen, daß der Betrieb des Motors im Schichtladebetrieb machbar ist, wenn das angeforderte Drehmoment niedriger ist als das maximale Drehmoment τ_max,s, und Feststellung, daß der Betrieb des Motors im homogenen Modus machbar ist, wenn das angeforderte Drehmoment größer oder gleich ist wie das minimale Drehmoment τ_min,h.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Drehmoment τ_max,s bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung und Anteil an verbranntem Gas in einem Zylinder des genannten Motors und einer unteren Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb des genannten Motors.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
System nach Anspruch 11, bei dem das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, eines oberen Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät programmiert ist, um: den Zündzeitpunkt zu ändern, um das angeforderte Drehmoment zu erreichen, wenn im homogenen Modus gearbeitet wird, und den Kraftstoffstrom zu ändern, wenn im Schichtlademodus gearbeitet wird.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Drehmoment τ_max,s bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung und des Anteils an verbranntem Gas in einem Zylinder des genannten Motors und einer unteren Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den Schichtladebetrieb des genannten Motors.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Drehmoment τ_min,h bestimmt wird als Funktion von Motorbetriebsdrehzahl, Luftladung in einem Zylinder des genannten Motors, einer oberen Grenze des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für den homogenen Betrieb des genannten Motors, des Anteils an verbranntem Gas im Zylinder und der maximalen Zündzeitpunktverstellung nach spät gegenüber dem Zündzeitpunkt für maximales Bremsmoment.