Konventionelle, benzinbetriebene
Verbrennungsmotoren verwenden Zündfunkenzündung, wobei
Treibstoff und Luft vorgemischt werden und der Funken eine Flamme
initiiert, die durch die Luft/Treibstoffmischung in der Brennkammer
propagiert. Der andere Verbrennungsmotortyp verwendet Kompressionsselbstzündung, wobei
Luft und Treibstoff bis kurz vor dem oberen Totpunkt im Motor, wo
die Temperatur der Luft in der Brennkammer aufgrund der Kompression
hoch ist, absichtlich von einander getrennt gehalten werden. Der
Treibstoff wird sodann schnell in die Brennkammer als sehr feiner
Nebel injiziert, der sich teilweise mit Luft mischt und in der Brennkammer
selbst entzündet.
Die Steuerung des Treibstoffeinspritzens steuert somit den Zeitpunkt
der Selbstzündung.
Typisch für
diese Art Kompressionsselbstzündungs-Motoren
sind Dieselmotoren.
Verbrennungsmotoren mit Kompressionsselbstzündung bei
homogenen Chargen (HCCI) sind bekannt und bieten ein Potential,
Treibstoffverbrauch und NOx Emissionen zu verringern. Ein HCCI Motor verwendet
eine vorgemischte Luft/Treibstoffcharge zur Brennkammer wie in einem
zündfunkengezündeten Motor,
wobei die Charge durch Kompressionszündung gezündet wird, wie in einem Dieselmotor, wo
die Temperatur der Luft/Treibstoffcharge die Selbstentzündungs-Temperatur
in der Brennkammer erreicht. HCCI Motoren werden typischerweise
mit konventionellen Zündkerzen
für jeden
Zylinder ausgerüstet
und relativ geringen Kompressionsverhältnissen, die typisch für gezündete Motoren
(SI-Motoren) sind, wodurch der Motor vom HCCI-Betriebszustand bei
niedrigeren Motorlasten in den SI-Betriebszustand bei höheren Motorlasten
ohne Klopfen des Motors umgeschaltet werden kann.
Die zeitliche Steuerung der Selbstzündung eines
HCCI Motors ist schwieriger als in einem Diesel Motor, der den Treibstoff-Injektionszeitpunkt
zur Steuerung des Selbstzündezeitpunktes
steuert. Bei einem HCCI Motors muss die Zusammenset zung und Temperatur
der Treibstoff/Gas Mischung in der Brennkammer zur Steuerung des
Selbstzündezeitpunkts
gesteuert werden.
Es ist vorgeschlagen worden, den
HCCI Selbstzündezeitpunkt
zu steuern in dem eine als negative Ventilüberlappungsstrategie bezeichnete
Methode verwendet wird, die Abgasrückführung in die Brennkammer umfasst.
Eine negative Ventilüberlappungssteuerungsstrategie
umfasst das Rückhalten heisser
verbrannter Restgase im Zylinder, um diese später mit in die Brennkammer
eingeführter
Frischluft zu mischen. Die zurückgehaltenen
verbrannten Gase erhöhen
die Temperatur der Luft/verbrannte Gase Mischung und fördern die
Selbstzündung.
Der Selbstzündungszeitpunkt
(Verzögerung)
wird durch die Gleichung: t = A exp E/RT repräsentiert, wobei t die Zeit
ist, die die Mischung in der Brennkammer zur Selbstzündung benötigt, die
auch häufig
als Zündverzögerung bezeichnet
wird, A eine empirische Konstante, E die Aktivierungsenergie und
eine Funktion der Zusammensetzung der Mischung, wie des Treibstofftyps,
der Treibstoff/Luft Mischung, Menge Reststoff usw., und R die universelle
Gaskonstante. Da die Gleichung eine exponentielle Beziehung ausdrückt, spielt
offensichtlich die Temperatur der Mischung eine Schlüsselrolle
bei der Bestimmung, falls und insbesondere wann die Selbstzündung auftreten wird.
Nach der negativen Ventilüberlappungssteuerungsstrategie
schliesst das Abgasventil vor dem oberen Totpunkt (TDC) und das
Ansaugventil öffnet nach
dem oberen Totpunkt, sodass beide Ventile am oberen Totpunkt des
Abgashubs geschlossen sind. Eine derartige Steuerungsstrategie steuert
das Rückhalten
heisser verbrannter Restgase in der Brennkammer, um wiederum den
Selbstzündezeitpunkt
zu steuern. 5 zeigt
mehrere Ansaug- und Abgasventilhubkurven, aufgetragen gegen den
Kurbelwellenwinkel für
einen HCCI Motor, um die negative Ventilüberlappungsstrategie zu illustrieren,
bei der verschiedene negative Ventilüberlappungen zum Einsatz bei
verschiedenen Motordrehmomenten gezeigt werden. Insbesondere werden
für verschiedene
Motordrehmomente verschiedene Paare Ansaug- und Abgasventilhubkurven
(beispielsweise Kurven 1I, 1E; 2I, 2E; 3I, 3E; usw.) verwendet,
die miteinander koordiniert sind, um die erwünschte negative Überlappung
für ein
spezielles Motordrehmoment zu schaffen. Dies bedeutet, dass Ansaug-
und Abgas ventilhubkurven 1I, 1E koordiniert für ein bestimmtes Motordrehmoment
verwendet werden, andere Ansaug- und Abgasventilhubkurven 2I, 2E
koordiniert für
ein anderes spezifisches Motordrehmoment usw.. Die negative Ventilüberlappungssteuerungsstrategie wird
durch Willard et al in "Das
Klopfsyndrom – Abhilfen
und sein Potential",
SAE 982483, 1998, beschrieben.
Wenn sich die Motorgeschwindigkeit
oder das Drehmoment ändert,
neigt der Zündzeitpunkt des
HCCI Motors dazu, sich zu ändern.
Beispielsweise verschiebt sich bei höheren Drehmoment der Zündpunkt
nach vorne, was zur erhöhten
Wärmeübergangsverlusten,
NOx Emissionen und Verbrennungsgeräuschen führt. Demzufolge sollte das
Motorsteuersystem so einstellen, dass sich der Zündzeitpunkt zum optimalen Kurbelwellenwinkel
zurückbewegt.
Bei niedrigerem Motordrehmoment neigt der Zündzeitpunkt dazu, verzögert zu
werden, was zu einer Erhöhung
der CO Emissionen und niedrigerer Verbrennungseffizienz führt. Das
Motorsteuersystem sollte so einstellen, dass der Selbstzündezeitpunkt sich
zum optimalen Kurbelwellenwinkel zurück bewegt.
Dann ist es erwünscht, die Motor mit einem stöchiometrischen
Luft/Treibstoffmischungsverhältnis
zu betreiben und einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator für die Nachbehandlung
der Abgase. Eine Steuerung der im Zylinder zurückgehaltenen heissen Restbrenngasmasse
kann eine Steuerung des Zündzeitpunkts
während
des HCCI Motorbetriebszustandes bewirken. Es besteht auch ein Bedürfnis daran,
das Luft/Treibstoff Verhältnis
zu steuern, um ein stöchiometrisches
Mischungsverhältnisses
für den
Motorbetriebszustand über
einen grossen Bereich klimatischer und Wetterbedingungen zu schaffen,
ohne den Selbstzündezeitpunkt
zu ändern.
Die Verwendung der negativen Ventilüberlappung
als einzige variable Steuerung bei einer HCCI Motorsteuerungsstrategie,
um sowohl den Selbstzündezeitpunkt
als auch das Luft/Treibstoff Verhältnis bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu ändern, ist
sofern problematisch, als die Verwendung einer einzigen negativen
Ventilüberlappung
als variable Steuerstrategie unzureichende Freiheitsgrade zur Steuerung
des Luft/Treibstoff Verhältnisses, der
Gastemperatur im Zylinder und des Re stanteils verbrannter Gase im
Zylinder bietet, um günstige Werte
für alle
dieser Parameter unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu schaffen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren
und eine Einrichtung, die eine spezielle Ventilzeitgeberstrategie
einsetzen, um den Selbstzündezeitpunkt
eines im HCCI Modus betriebenen Viertakt-Verbrennungsmotors bei
verschiedenen Motornbetriebszuständen
zu steuern, wie sie den unterschiedlichen, vom Betreiber (Fahrer)
angeforderten Motordrehmomenten entsprechen. Eine spezifische Ventilsteuerstrategie
verändert
zeitlich den Hub des Ansaugventils relativ zum Abgasventil oder
umgekehrt und relativ zum oberen Totpunkt entsprechend einer Änderung
des vom Betreiber angeforderten Drehmoments bspw., um die Menge
zurückgehaltener
verbrannter Restgase in der Brennkammer, die zu einer Ansaug- oder
Abgasöffnung
fliesst, in und zurück
die Brennkammer, wodurch das Restgas thermische Energie verliert
und abgekühlt
wird, zu ändern.
Eine derartige Steuerung des Flusses von Resten verbrannten Gases
zwischen der Brennkammer und dem Ansaug- oder Abgasöffnung und
demzufolge der Temperatur durch die Ventilsteuerstrategie wird eingesetzt,
um die Temperatur der Mischung Frischluft/verbrannte Restgase in
der Brennkammer, in die Treibstoff eingemischt wird und demzufolge
den Selbstzündezeitpunkt,
um einer vorgegebenen Drehmomentanforderung an den Motor zu genügen, zu
steuern.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die
Abgasventilbestätigungszeit
vor dem oberen Totpunkt im wesentlichen über aufeinanderfolgende Motorzyklen
im wesentlichen fest, um das Luft/Treibstoft Verhältnis in
der Brennkammer zu steuern. Die Öffnungszeit
des Ansaugventils wird relativ zum oberen Totpunkt (d.h. in Richtung
oberer Totpunkt verschoben) über
mehrere Ansaugzyklen so variiert, dass die Temperaturänderungen
der Frischluft/verbrannte Restgase Mischung in der Brennkammer,
in der der Treibstoff vermischt wird, und demzufolge der Selbstzündezeitpunkt
verändert
wird. Der Abgasventilbetätigungszeitpunkt
und/oder Treibstoffeinspritzpulsbreite kann leicht eingestellt werden,
um den Effekt der Temperaturänderung
der Mischung auf die in die Brennkammer eingebrachte Frischluftmasse
zu kompensieren. Ferner wird für
jedes Ansaugereignis bevorzugt ein Anfangsansaugventilöffnungsereignis unmittelbar
nach dem Schliessen des Abgasventils und vor Erreichen des oberen
Totpunkts vorgesehen, gefolgt durch einen nach dem oberen Totpunkt
auftretendes Hauptansaugventilereignis, um die Motorpumpverluste
zu reduzieren oder zu minimieren.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Ansaugventilhubzeitpunkt im wesentlichen nach
dem TDC über
aufeinanderfolgende Motornzyklen fest, um das Luft/Treibstoff Verhältnis in
der Brennkammer zu steuern. Die Schliessdauer des Abgasventils verändert sich
relativ zum TDC (beispielsweise gegenüber TDC verzögert) über aufeinanderfolgende
Abgaszyklen, so dass die Temperatur der Frischluft/verbrannte Restgase
Mischung in der Brennkammer, in die Treibstoff eingemischt wird,
und demzufolge der Selbstzündezeitpunkt
verändert
wird. Die Ansaugventilbestätigungszeit und/oder
Treibstoffeinspritz – Pulsbreite
kann je nach Bedarf eingestellt werden, um die Effekte der Temperaturänderung
der Mischung auf die in die Brennkammer eingebrachte Frischluftmasse
zu kompensieren. Für
jedes Abgasereignis wird bevorzugt ein erstes Hauptabgasventilöffnungsereignis
vor dem TDC vorgesehen, gefolgt durch ein nachfolgendes Sekundärabgasventilereignis,
das nach dem TDC, sofort vor Öffnen
des Ansaugventils so erfolgt, dass die Energiepumpverluste reduziert
oder minimiert werden. Diese und weitere Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der
Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine
schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors und einer elektronischen
Motorsteuerung zur Durchführung
einer Ausführung
der Erfindung.
2 ein
Diagramm der Ansaugventil- und Abgasventilhubkurven aufgetragen
gegenüber
dem Kurbelwellenwinkel (wobei BDC der untere Totpunkt und TDC der
obere Totpunkt ist) bei vorgegebener Motorgeschwindigkeit und Drehmoment
für eine
erfindungsgemässe
Ausführungsform.
3 ein
Diagramm, das Ansaug- und Abgasventilhubkurven gegen den Kurbelwellenwinkel bei
vorgegebener Motorgeschwindigkeit und Drehmoment für eine weitere
Ausführungsform
der Erfindung mit doppelten Ansaugventilereignissen zeigt.
5,
ein Diagramm konventioneller koordinierter Ansaug- und Abgasventilhubkurven
gegen den Kurbelwellenwinkel (wobei BDC der untere Totpunkt und
TDC der obere Totpunkt ist) für
einen HCCI-Motor bei unterschiedlichen Motordrehmomenten, um unterschiedliche
negative Ventilüberlappungen zu
schaffen, wobei die Ansaug- und Abgasventilhubkurven 1I, 1E bei
einem vorgegebenen Drehmoment, die Kurven 2I, 2E bei einem anderen
Drehmoment verwendet werden, usw.
In 1 ist
ein Vier-Takt-Verbrennungsmotor 10 dargestellt, der eine
durch einen konventionellen Zylinderkopf 13, Zylinder 14 und
Kolben 15 gebildete Brennkammer 12 aufweist. Die
Brennkammer 12 wird durch den im Motorzylinder 14 hin
und her gehenden Kolben 15 vergrössert und verkleinert. Eine
Ansaugöffnung 16 und
eine Abgasöffnung 18 des
Motors 10 sind mit der Brennkammer 12 in konventioneller
Weise verbunden. In der Ansaugöffnung 16 ist
ein Ansaugventil 20 vorgesehen. Eine Ansaugpassage 22 des
Motors ist mit der Ansaugöffnung 16 verbunden.
Luft wird von der Ansaugpassage 22 durch die Ansaugöffnung 16 in
die Brennkammer 12 gesaugt, wenn das Ansaugventil 20 aufgrund
des im Zylinder herabgehenden Kolbens offen ist. Eine Drossel 23 ist
in der Ansaugpassage 22 vorgesehen, um die Luftansauggeschwindigkeit
im gezündeten (SI)
Modus einzustellen. Im HCCI-Modus ist die Drossel 23 bevorzugt
vollständig
offen, wie in 1 gezeigt.
Ein konventioneller Treibstoffeinspritzer 24 und eine Zündkerze 26 sind
auf dem Zylinderkopf vorgesehen und mit der Brennkammer 12 verbunden.
In die Brennkammer 12 durch den Einspritzer 24 eingespritzter
Treibstoff wird mit der von der Ansaugöffnung 16 angesaugten
Frischluft sowie einem Teil des im SI-Modus des Motorbetriebs erhaltenen
verbrannten Restgases vermischt. Im HCCI-Modus wird der in die Brennkammer 12 ingespritzte
Treibstoff mit einer Frischluf/ Reste verbrannter Gase Mischung mit
einem viel höheren
Anteil von Restbrenngasen gemischt, und danach in der Brennkammer 12 durch den
Kolben 15 komprimiert. Alternativ kann der Einspritzer 24 auf
die gleiche Weise wie bei einem Einspritzmotor in der Ansaugöffnung angebracht
werden.
Ein Abgasventil 28 ist in
der Abgasöffnung 18 vorgesehen.
Verbranntes Gas wird aus der Abgasöffnung 18 durch eine
Abgaspassage 30 abgelassen, wenn das Abgasventil 28 während des
Abgashubs offen ist.
Variable Ventil-Zeitgeber-Mechanismen 32, 34 sind
auf dem Motor vorgesehen, um die Öffnungs-/Schliesszeiten des
Ansaugventils 20 und des Abgasventils 28 zu ändern. Der
variable Ventilzeitsteuerungsmechanismus 32, 34 kann
jeweils einen Mehr-Nockenmechanismus aufweisen, einen Solenoid betätigten Mechanismus
oder andere Ventilbetätigungsmechanismen,
wie sie aus dem Stand der Technik zur Einstellung der Öffnungs-/Schliesszeiten von
Ansaug- und Abgasventilen von Verbrennungsmotoren bekannt sind.
Das US-Patent 6 295 964 beschreibt einen geeigneten speziellen variablen
Ventilzeitgebermechanismus für
einen Verbrennungsmotor. Obwohl nur eine Brennkammer 12 und
Zylinder 14 mit Kolben 15 in 1 gezeigt sind, ist dem Fachmann offensichtlich,
dass der Motor 10 typischer weise weitere ähnliche
Brennkammern/Zylinder/Kolben und dazugehörige Ansaugventile, Abgasventile, Treibstoffeinspritzer
und Zündkerzen,
wie in 1 gezeigt, umfassen
wird. Ferner kann mehr als ein Ansaugventil 20 und mehr
als ein Abgasventil 28 pro Brennkammer 12 vorgesehen
werden. Zusätzlich wird,
obwohl der Einspritzer 24 so dargestellt ist, dass er den
Treibstoff direkt in den Zylinder 15 einspritzt, die Erfindung
alternativ auch mit Treibstoffeinspritzung in die Ansaugöffnung 16 durchgeführt werden.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 40 ist vorgesehen,
um die eingespritzten Treibstoffmenge, den Einspritzzeitpunkt, die
Zündauslösung der
Zündkerze 26,
die Öffnung
der Drossel 23, die Öffnungs-/Schliesszeitsteu-erung
des Ansaugventils 20 und Abgasventils 28 durch
variable Ventilsteuerme-chanismen 32, 34 zu steuern.
Die ECU 40 umfasst einen Mikrocomputer, der eine Zentralrechnereinheit,
ein Read-Only-Memory (ROM), ein RAM (random access memory), ein
KAV (keep-alive Memory) aufweist, die Informationen bei Ausschalten des
Motorzündschlüssels speichert,
um sie beim Wiederstart des Motors einzu-setzen, und eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle.
Die ECU 40 kann ein elektronisch programmierbarer Prozessor,
eine Mikrosteuerung, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis
oder eine ähnliche
Einrichtung, um die vorbestimmte Motor-steuerlogik zu schaffen, sein.
ECU 40 empfängt mehrere
Signale vom Motor 10 über
die Eingabe-Ausgabeschnittstelle. Derartige Signale können, sind
aber nicht begrenzt auf Signale von einem Luftflussmesser 42,
der die Ansaugluft-Flussgeschwindigkeit in der Ansaugpassage 22 detektiert,
einen Kurbelwellenwinkel-Sensor 44, der den Kurbelwellenwinkel
des Motors detektiert, einen Beschleunigungs-Pedal-Positionssensor 45,
der den Grad des Herabdrückens
eines Beschleunigungspedals dedektiert und einen Startschalter 56,
der das Starten des Motors 10 detektiert.
Die ECU 40 verarbeitet diese
von den Motorsensoren empfangenen Signale und liefert entsprechende
Signale, wie ein wellenförmiges
Treibstoffeinspritrpulssignal, das jedem Treibstoffeinspritrer 24 jedem
Zylinders 15 über
eine Signalleitung übermittelt wird,
um Menge und Zeitpunkt des durch jeden Treibstofteinspritzer 24 in
die Brennkammer 12 abgegebenen Treibstoffes zu steuern.
Die ECU 40 liefert entsprechende Signale, um die Zündfunkenabgabe
jeder Zündkerze 26,
die Öffnung
der Drossel 23, und der Öffnungs/Schliesszeit jedes
Ansaugventils 20 und Abgasventils 28, jeweils
durch variable Ventilsteuermechanismen 32, 34 zu
steuern.
In 1 umfasst
die ECU 40 eine Auswahlabteilung 50 für Verbrennungsmuster,
die durch ein Softwareprogramm oder Programme zur Auswahl einer
speziellen Verbrennungsart ausgeführt werden, nämlich einen
zündfunkengezündeten Modus 52 oder
einen HCCI (Kompressions-Selbstründe)-Modus 54,
abhängig
von den Motorbetriebsbedingungen. Beispielsweise kann die ECU 40 einen
Verbrennungsmodus abhängig
vom Motorgeschwindigkeitssignal des Kurbelwellensensors 44 und
dem Beschleunigungs-Pedalpositionssignal (entsprechend der Anforderung
am Drehmoment vom Betreiber) vom Pedalstellungssensor 45 auswählen. Die
ECU 40 wählt
typischer weise den Kompressions-Selbstründe-Motorbetriebszustand 54 in
einem bevorzugten Motorbetriebsbereich, der durch eine relativ geringe
Motorgeschwindigkeit und ein mittleres bis niedriges Motorndrehmoment
charakterisiert ist und wählt
den Zündfunkenzündmodus
in einem sehr niedrigen Drehmomentbereich und einem Bereich hoher
Motorgeschwindigkeit und/oder hohen Motordrehmoments. Wenn der Kompressions-Selbstründemodus 54 ausgewählt wird,
kann die ECU 40 die Zündkerzen 26 deaktivieren
oder alternativ die Zündfunkenabgabe
der Zündkerze 26 fortsetzen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren
und eine Einrichtung, die eine spezielle Ventilhubzeitsteuerungsstrategie
einsetzen, um den Selbstzündezeitpunkt
und das Luft/Treibstoff Verhältnis
während
des Motorbetriebs im HCCI-Modus 54 zu steuern. Eine spezielle
erfindungsgemässe
Ventilzeitgeberstrategie steuert den Hub eines der Ansaugventile
relativ zum Abgasventil oder umgekehrt, und relativ zum oberen Totpunkt,
um den Selbstzündezeitpunkt
bei einer vorgegebenen Motorgeschwindigkeit und einem vom Betreiber
angeforderten Drehmoment zu steuern. Das Luft/Trieibstoff Verhältnis wird
ebenso bei der vorgegebener fester Motorgeschwindigkeit und Drehmoment
gesteuert. Wie bekannt, generiert der Kolben 15 maximale
Kompression der Gase in der Brennkammer 12 beim TDC, dem
Maximums seines Hubs. Vor dem TDC bewegt sich der Kolben 15 in
Richtung der Brennkammer 12 und nach dem TDC bewegt sich
der Kolben 15 von der Brennkammer 12 hinweg.
2 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Luft/Treibstoff Verhältnis durch Steuerung der Masse
des in der Brennkammer 12 zurückgehaltenen verbrannten Restgases,
die sich mit der eingeführten
Frischluft zeitlich vor dem Kompressionshub des Motors 10 mischt,
falls der Motor mit einem festen geometrischen Kompressionsverhältnis (beispielsweise
beim Verhältnis
10:1 oder 15:1) betrieben wird, gesteuert wird. In 2 ist der Abgasventilhub (repräsentiert
durch die Kurve EV) vom Öffnungszeitpunkt
EVO zum Schliesszeitpunkt EVC gegen den Kurbelwellenwinkel des Motors 10 aufgetragen.
Wie gezeigt, sind die Abgasventilöffnungs- und Schlusszeiten
unter festen Betriebsbedingungen von Motorgeschwindigkeit und Drehmoment
im wesentlichen fest oder konstant relativ zum TDC für jeden
Abgashub. Bei fester Abgasventilöffnungs-
und Schliesszeit ist die Menge verbrannten Restgases, die nicht
in die Abgasöffnung 18 fliesst, wiederum
unabhängig
vom Ansaugventilöffnungszeitpunkt
fest. Dies bedeutet, dass bei einem festen Ansaug- (in den Zylinder)
druck die in die Brennkammer 12 gesaugte Frischluftmasse
im wesentlichen fest ist, so dass das Luft/Treibstoff Verhältnis gesteuert
werden kann. Bei einer vorgegebenen Motorgeschwindigkeit wird die
Abgasventilsteuerung dazu verwendet, das Luft/Treibstoff Verhältniss in
der Brennkammer 12 zu steuern, das wiederum den Betreiber
(Fahrer) mit dem erwünschtem
Motordrehmoment versorgt. Hier bedeutet im wesentlichen feste Frischluftmasse,
dass höchstens
eine geringfügige Änderung
der Frischluftmasse, die in die Brennkammer 12 gesaugt
wird, als Resultat der Temperaturänderung des verbrannten Gases,
mit dem die Luft in der Brennkammer 12, wie oben beschrieben,
gemischt wird, auftritt. Diese geringfügige Änderung in der Frischluftmasse
kann, wie weiter unten beschrieben, berücksichtigt werden.
2 illustriert
eine variierende (beispielsweise steigende) Ansaugventilöffnung (IVO)
des Ansaugventils 20 nach Schliessen des Abgasventils 28, wie
durch die Ventilhubkurven 1, 2, 3, 4, 5 und 6 für aufeinanderfolgende Ansaugereinisse
angegeben. Eine derartige variierende (beispielsweise steigende) Ansaugventil-Öffnungszeit ändert graduell
(beispielsweise reduziert) die Temperatur der Frischluft/verbrannte
Restgas Mischung, in die der Treibstoff in der Brennkammer 12 eingemischt
wird und demzufolge den Selbstzündezeitpunkt
vor Kompression. Der Selbstzündezeitpunkt
kann entsprechend Änderungen
in vom Betreiber angeforderten Motorndrehmoment geändert werden,
in dem eine derartige Ventilsteuerung eingesetzt wird. Die Ansaugventilhubkurven
IV, mit 1 – 6
durchnumeriert, illustrieren Ansaugventilhübe vom IVO zur Ansaugventilschliess IVC-Zeit
dieser Ausführungsform
der Erfindung. Die Kurve EV repräsentiert
gemeinsam mit der Kurve 0 einen negative Ventilüberlappungszustand,
wobei keinerlei zurückgehaltenes
verbranntes Restgas aus der Brennkammer 12 ausfliesst,
so dass die Luft/verbrannte Restgase Mischung die höchste Mischungstemperatur
vor der Kompression hat.
Tatsächlich erhöht eine Veränderung (beispielsweise Vorwärtsverschiebung)
der Öffnungszeit des
Ansaugventils 20, wie durch die Ventilhubkurven 1, 2, 3,
4, 5 und 6 aufeinanderfolgender Ansaugereignisse angegeben, graduell
die Ansaugdauer, um mehr und mehr zurückgehaltenes verbranntes Restgas
aus der Brennkammer 12 in die Ansaugöffnung 16 nach Schluss
des Abgasventils stossen zu lassen, und dann in die Brennkammer
zurückzufliessen,
falls sich das Ansaugventil öffnet
und der Kolben heruntergeht. Dies bedeutet, dass immer mehr heißes ursprünglich zurückgehaltenes
verbranntes Restgas dazu veranlasst wird, in die Ansaugöffnung 16 (durch höheren Zylinderdruck
durch Kompression im Abgashub nach Schluss des Abgasventils), wie
durch die nach vorne verschobene Öffnung des Ansaugventils 20 ermöglicht,
um dann durch den Ansaughub von der Ansaugöffnung 16 in die Brennkammer 12 zurück zufließen. Eine
derartige Übermittlung
verbrannten Restgases zwischen der Brennkammer und der Ansaugöffnung reduziert
die thermische Energie des verbrannten Restgases durch Wärmeübergang auf
anliegende Ansaugöffnungswände, ohne
die Menge des verbrannten Restgases in der Brennkammer 12 zu
reduzieren. Eine derartige Übertragung bewirkt,
dass das Massenverhältnis
des ursprünglichen
Teils an zurückgehaltenen
Restgases zum kühleren
rückgeführten verbrannten
Gas gesteuert wird, um schrittweise die Temperatur der Frischluft/verbrannte
Restgase Mischung zu verringern (oder zu steigern), in die Treibstoff
in der Brennkammer vor Kompression eingemischt wird. Die Selbstzündezeitsteuerung
kann dadurch durch graduelle Änderung der
Ansaugventilöffnungszeit über aufeinanderfolgende
Motorzyklen (ein Motorzyklus entspricht vier Hüben oder zwei Umdrehungen)
relativ zur Abgasventilöffnungszeit
entsprechend Änderungen
in dem vom Betreiber angeforderten Motorndrehmoment verändert werden.
Typischer weise wird die Selbstzündezeit
gesteuert, dass sie nahe des TDC auftritt, so dass beispielsweise
eine 50%ige Verbrennung im Bereich von 5-10° nach TDC auftritt.
Falls die Temperatur des verbrannten
Restgases in der Brennkammer 12 verändert wird, ändert sich
demzufolge auch die angesaugte Frischluftmasse, die in die Brennkammer
eingesaugt und mit der Mischung verbrannter Restgase vermischt wird,
geringfügig,
obwohl Ansaug (zum Zylinder) druck und das geometrische Kompressionsverhältnis des
Motors unverändert
bleibt. Die Erfindung betrachtet die ECU 40 als etwas,
das die Abgasventilschlusszeit und/oder die Treibstoffeinspritzpulsbreite
einstellt, während
des Zeitraums, in dem die Ansaugventilöffnungszeit geändert wird,
wie es für
die Kompensation dieser Wirkung der Temperaturänderung der Masse verbrannter
Restgase auf die in die Brennkammer 12 eingeführte Frischluft
notwendig sein kann. Bespielsweise kann die ECU 40 die
Abgasventilschliesszeit näher
zum TDC in dem Zeitraum, in dem die Ansaugventilöffnungszeit so geändert wird,
dass Masse von der Brennkammer 12 ausgestossenen heissen
zurückgehaltenen
verbrannten Restgases und demzufolge die eingesaugte Frischluftmasse
erhöht
wird, verschieben.
Gemäss dieser Ausführungsform
der Erfindung kann bei jeder festen Motorgeschwindigkeit das Treibstoffverhältnis der
Brennkammer 12 auf stöchiometrisches
Verhältnis
durch die ECU 40 gesteuert werden, indem das Motordrehmoment
und die Abgasventilöffnungsdauer
und Schliessdauer wie oben beschrieben, entsprechend dem erwünschtem
Motordrehmoment gesteuert wird. Der Selbstzündezeitpunkt wird durch die
ECU 40 eingestellt, indem graduell die Ansaugventilöffnungszeit,
wie beispielsweise in 2 durch
die Kurven 1 – 6 über aufeinanderfolgende
Ansaugereignisse dargestellt verändert wird.
Die 3 zeigt
eine andere ähnliche
Ventilzeitgeberstrategie, die Motorpumpverluste unter Steuerung
des Selbstzündens
oder des Luft/Treibstoff Verhältnisses
minimiert oder eliminiert.
Die Ventilzeitsteuerstrategie der 3 ähnelt der in 2, mit unter Einschluss eines zusätzlichen
Anfangsansaugereignisses IV2 vor dem TDC. Ähnlich der 2 kann das Luft/Treibstoffverhältnis in
der Brennkammer 12 auf stöchiometrisches Verhältnis durch
die ECU 40 gesteuert werden, indem das Motordrehmoment
bestimmt und die Abgasventilzeit, wie oben entsprechend dem geforderten
Motordrehmoment, gesteuert wird. Die Steuerung der Selbstzündung wird
durch Verlängerung
der Ansaugventilöffnungszeit
IVO, wie durch die Kurven 1, 2, 3 in 3 relativ
zum TDC illustriert, erzielt. Um Motorpumpverluste zu vermeiden,
wird ein zusätzliches Ansaugereignis
IV 2 sofort nach Schliessen des Abgasventils 28 im Abgashub,
wie in 3 gezeigt, vorgesehen,
um etwas Restgas in die Ansaugöffnung 16 aufgrund
einer fortgesetzten nach oben Bewegung des Kolbens 14 im
Abgashub drücken
zu können.
Die Ansaugventilschliesszeit IVC des Ansaugereignisses IV2, vor
dem TDC, variiert entsprechend dem Betrag der Vergrösserung
der Ansaugventilöffnungszeit
des Hauptansaugereinisses IV nach dem TDC. Dies bedeutet, dass die
Kurve 1' für das zusätzlichen
Ansaugereignis verwendet wird, falls die Kurve 1 das Hauptansaugereignis,
das nach dem TDC auftritt, repräsentiert,
Kurve 2' des zusätzlichen
Ansaugereignisses würde
eingesetzt, wenn Kurve 2 des Hauptansaugereinis, nach dem TDC, repräsentiert
usw. Wie aus 3 ersichtlich,
sollte der Kurbelwellenwinkel vom Ende des zusätrlichen Anfangs- Ansaugereignisses
IV2 (Kurve 1', 2' oder 3') zum TDC und der Kurbelwellenwinkel
vom TDC bis zum Beginn des darauffolgenden Hauptansaugereignisses
(Kurve 1, 2 oder 3) im wesentlichen gleich sein, um Motorpumpverluste
zu minimieren.
In den Ausführungsformen der 2 und 3 ist die Kraftstoffeinspritzer-Zeitabstimmung
durch die ECU 40 so gesteuert, dass sie typischerweise
nach dem TDC auftritt, da die Gase nach dem TDC in die Brennkammer
aufgrund der nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens fliessen.
Falls ein Motor eine direkte Einspritzung in den Zylinder verwendet,
kann die Treibstoffeinspritzzeitsteuerung, durch ECU 40, eine
Rolle in der Steuerung der Mischungstemperatur spielen und somit
des Selbstzündezeitpunktes aufgrund
des Chargen Abkühlungseffekts
der Treibstoffverdampfung. Allgemein resultiert spätere Treibstoffinjektion
in niedrigerer Mischungstemperatur vor Kompression. Das bedeutet,
dass die Charge vor der Treibstoffeinspritzung (d. h. ohne Chargenkühlung durch
Treibstoffverdampfung) heisser ist, wodurch der Wärmeübergang
von den heissen Verbrennungsgasen auf die Öffnungswände gesteigert wird. Die zeitliche
Steuerung der Treibstoffeinspritzung ist durch die Erfordernisse
der Treibstoff/Luftmischung begrenzt. Treibstofftröpfchen benötigen Zeit,
um zu verdampfen und mit Luft zu mischen.
4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, wobei die Ansaugventilöffnungszeit IVO so gesteuert
wird, dass das Luft/Treibstoffmischungsverhältnis in der Brennkammer 12 gesteuert und
die Schliesszeit EVC des Abgasventils 28 relativ zum TDC
(nämlich
in Richtung TDC verzögert), über aufeinander
folgende Abgaszyklen derart variiert wird, dass Änderungen der Temperatur und
der Luft/verbrannte Restgase Mischung, in die der Treibstoff in
der Brennkammer 12 eingemischt wird und demzufolge der
Zeitpunkt der Selbstzündung
verändert
wird, auftreten.
Beispielsweise erläutert 4 eine Ausführungsform
der Erfindung, wobei die angesaugte Luftmasse so lange durch die
Ansaugventilöffnungs-
und Schliesszeit gesteuert wird, als der Zylinderdruck zum Zeitpunkt
der Ansaugventilöffnung
fest ist. Wie gezeigt, sind die Ansaugsventilöffnungs- und -schliesszeiten
IVO, IVC unter festen Betriebsbedingungen der Motorgeschwindigkeit
und des Drehmomentes im wesentlichen fest oder konstant relativ zum
TDC für
jeden Ansaughub. Bei einer vorgegebenen Motorgeschwindigkeit kann
das Luft/Treibstoff Verhältnis
in der Brennkammer 12 auf das stöchiometrische Verhältnis durch
die ECU 40 gesteuert werden, in dem das Motordrehmoment
bestimmt und die Ansaugventilöffnungsdauer
entsprechend dem bestimmten Motordrehmoment gesteuert wird. Die zeitliche
Steuerung des Ventilhubs wird dazu verwendet, die Temperatur der
Frischluft/verbrannte Restgase-Mischung in der Brennkammer 12 zu
steuern und demzufolge die Selbstzündetemperatur von der Kompression.
Wenn die Abgasventilschlusszeit über
aufeinanderfolgende Abgashübe
relativ zum TDC verzögert
ist, wie durch die Kurven 1, 2 und 3 des Anfangsabgasereignisses
EV der 4 repräsentiert
ist, kann immer mehr heisses zurückgehaltenes
verbranntes Restgas aus der Brennkammer 12 in die Abgasöffnung 18 und
dann zurück
in die Brennkammer während
des nachfolgenden zweiten Abgasereignisses EV2, nach dem TDC, repräsentiert durch
die Kurven 1, 2',
3', zurückfliessen,
um die thermische Energie durch Wärmeübergang zu verringern und so
die Temperatur der Mischung verbrannter Gase im Zylinder zu steuern.
Die Masse des restlichen verbrannten Gases, die sich mit in die
Brennkammer 12 eingeführter
Frischluft mischt, bleibt im wesentlichen unverändert, trotz der Änderung
der Abgasventilschliesszeit. Das zweite Abgasereignis EV2 endet
dann, wenn sich das Ansaugventil 20 öffnet, um den Druck im Zylinder
zum Zeitpunkt des Ansaugventilöffnens
zu steuern. Dies ermöglicht
eine Steuerung der angesaugten Luftmasse durch zeitliche Steuerung
der Ansaugventilöffnung,
wie oben für Luft/Treibstoff
Verhältnis-Steuerung
beschrieben.
Bei der Ausführungsform der 4 wird die Treibstoffeinspritzzeitgebung
durch die ECU 40 gesteuert, so dass sie typischerweise
nach dem TDC auftritt, da nach dem TDC die Gase aufgrund der nach
unten gerichteten Bewegung des Kolbens in die Brennkammer fliessen.
Demzufolge wird der eingespritzte Treibstoff nach dem TDC nicht
aus der Brennkammer zur Abgasöffnung
fliessen, obwohl die Abgasöffnung
offen ist. Die Einspritzabstimmung kann durch die ECU 40 eingestellt
werden, um so die Mischungstemperatur, wie oben für eine direkte
Einspritzung in einen Zylinder beschrieben, zu beeinflussen.
Falls sich die Temperatur der verbrannten Restgase
in der Brennkammer 12 ändert,
wird sich die angesaugte Frischluftmasse, die in die Brennkammer
eingeführt
und mit der Mischung verbrannter Gase vermischt wird auch geringfügig ändern, obwohl
der Ansaug- (in den Zylinder) -druck und das effektive Kompressionsverhältnis des
Motors unverändert
bleiben. Die Erfindung betrachtet, die ECU 40 als etwas,
das die Ansaugventilöffnungszeit
und/oder die Treibstoffeinspritzpulsbreite während des Zeitraums, in dem
die Abgasventilschlusszeit nach Anforderung verändert, etwas einstellt, um
diese Auswirkung der Temperaturänderung
durch die Mischung verbrannter Gase auf die in die Brennkammer 12 eingeführte Frischluftmasse
zu kompensieren. Beispielsweise kann die ECU 40 die Ansaugventilöffnungszeit
näher zum
TDC während
des Zeitraums der Änderung
der Abgasventilschliesszeit, um die in die Brennkammer 12 eingeführte Masse Frischluftmasse
zu erhöhen,
verschieben.
Um Motorpumpverluste zu vermeiden,
wird das zusätzliche
Abgasereignis EV2 sofort, nach Schluss des Abgasventils 28 im Abgashub
und nach dem TDC, wie in 4 gezeigt
vorgesehen, um es etwas verbranntem Restgas zu ermöglichen,
aus der Abgasöffnung 18 durch
die Kolbenbewegung herausgezogen zu werden.
Die Abgasventilöffnungszeit EVO des zweiten
Abgasereignisses IV2, nach dem TDC, wird entsprechend des Fortschritts
der Abgasventilschliesszeit EVC des Hauptansaugereignisses EV, vor
dem TDC, variiert. Dies bedeutet, dass die Kurve 1' des zusätrlichen
Abgasereignisses eingesetzt wird, wenn die Kurve 1 das Hauptansaugereignis,
nach dem TDC, repräsentiert,
die Kurve 2' eines
zusätrlichen Ansaugereignisses
wird eingesetzt, wenn die Kurve 2 das Hauptansaugereignis nach dem
TDC repräsentiert
etc. Wie aus 4 ersichtlich,
sollten der Kurbelwellenwinkel vom Ende des Anfangs-Hauptabgasereignisses
EV (Kurven 1, 2, 3) zum TDC und der Kurbelwellenwinkel vom TDC bis zum
Beginn des nachfolgenden Abgasereignisses EV2 (Kurven 1', 2', 3') im wesentlichen
gleich sein, um Motorpumpverluste zu minimieren.
Gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung kann bei jeglicher festen Motorgeschwindigkeit das
Luft/Treibstoff Verhältnis
in der Brennkammer 12 auf das stöchiometrische Verhältnis durch
die ECU gesteuert werden, indem das Motordrehmoment bestimmt wird
und die Ansaugventilöffnungs-Schliesszeit,
wie oben beschrieben, zeitlich entsprechend dem angeforderten Motordrehmoment
gesteuert wird. Die Selbstründung
wird durch die ECU 40 eingestellt, indem die Abgasventilschlusssteuerung,
wie beschrieben, geändert
wird, bspw. in 4 durch
die Kurven 1 – 3 über aufeinanderfolgende
Abgasereignisse.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme
auf 1 hinsichtlich der
Steuerung des Ansaugventils 20 und Abgasventils 28 beschrieben
wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, dass mehr als ein Ansaugventil
(bspw. zwei Ansaugventile) und mehr als ein Abgasventil (bspw. 2
Abgasventile) so gesteuert werden können, dass die Vorteile der
Erfindung erzielt werden. Bspw. kann bei einem Motor mit mehr als zwei
Ventilen pro Zylinder die Öffnungs-Schließzeit der
Ansaugventile oder Abgasventile eines Zylinders entweder einheitlich
oder unterschiedlich gesteuert werden. Bspw. zeigt die 3 zwei Ansaugereignisse
pro Zyklus. Für
einen Motor mit vier Ventilen pro Zylinder können die beiden Ansaugventile
zu unterschiedlichen Zeiten öffnen
und schliessen, sodass das Anfangsansaugereignis IV 2 durch ein
Ansaugventil und das Hauptansaugereignis IV durch das andere Ansaugventil
realisiert wird. In ähnlicher
Weise können
die beiden Abgasventile gesteuert werden, sich zu unterschiedlichen
Zeiten zu öffnen
und zu schliessen, falls dort zwei Abgasereignisse, wie in 4 dargestellt, vorliegen,
so dass das Hauptabgasereignis EV durch das eine Abgasventil und
das nachfolgende Abgasereignis EV2 durch das andere Abgasventil
realisiert wird.
Während
die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert wurde,
ist sie keinesfalls auf dieselben beschränkt, sondern lediglich durch
den Schutzumfang der Ansprüche.