DE112005001573T5 - Verfahren zum Steuern einer Selbstzündungsverbrennung - Google Patents

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James A. Troy Eng
Barry L. Lake Orion Brown
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Abstract

Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Viertaktmotor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung, der mindestens einen Zylinder mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung aufweist, der einen Kolben enthält, der hin- und herbeweglich mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablen Volumen bildet und mindestens ein Einlassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und mindestens ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert, wobei das Verfahren umfasst, dass:
der Motor mit zwei aufeinander folgenden Paaren von Expansions- und Kontraktionstakten während zweier Umdrehungen der Kurbelwelle betrieben wird, wobei die zwei Umdrehungen der Kurbelwelle einen Verbrennungszyklus definieren;
ein variables Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen; und
die Strömung von Luft und verbrannten Gasen, die in die Brennkammer eintritt, eingestellt wird;
wobei das Einstellen der Strömung das resultierende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer beeinflusst;
wobei das Ventilbetätigungssystem anwendbar ist, um die...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Prozesses einer Selbstzündungsverbrennung in einem Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung bei leichter Last und während eines transienten Betriebes.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Benzinverbrennungsmotoren ergibt eine verdünnte Verbrennung unter Verwendung von entweder Luft oder rückgeführtem Abgas bekanntlich einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und geringe NOx-Emissionen. Es gibt jedoch infolge einer Fehlzündungs- und Verbrennungsinstabilität aufgrund einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der der Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Ausdehnen der Verdünnungsgrenze umfassen: 1) das Verbessern der Zündfähigkeit des Gemisches durch Erweitern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung; 2) das Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einleiten einer Ladungsbewegung und Turbulenz; und 3) das Betreiben des Motors mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung.
  • Der Prozess der gesteuerten Selbstzündung wird manchmal als homogener Kompressionszündungsprozess (Homogeneous Charge Compression Ignition oder HCCI-Prozess) bezeichnet. Bei diesem Prozess wird ein Ge misch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff erzeugt, und es wird eine Selbstzündung gleichzeitig von vielen Zündstellen aus innerhalb des Gemisches während der Verdichtung eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Ausgangsleistung und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Die Verbrennung ist stark verdünnt und gleichmäßig durch die Ladung hindurch verteilt. Daher sind die Temperatur des verbrannten Gases und somit die NOx-Emissionen wesentlich niedriger als die von herkömmlichen Ottomotoren auf der Grundlage einer fortschreitenden Flammenfront und von Dieselmotoren auf der Grundlage einer fixen Diffusionsflamme. Sowohl bei Otto- oder Fremdzündungsmotoren als auch bei Dieselmotoren ist die Temperatur des verbrannten Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen mit sehr hohen lokalen Temperaturen, die starke NOx-Emissionen erzeugen.
  • Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Zweitakt-Benzinmotoren unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses erfolgreich demonstriert worden. Man geht davon aus, dass der hohe Anteil verbrannter Gase, der von dem vorhergehenden Zyklus verbleibt, d.h. der Restinhalt, innerhalb der Brennkammer des Zweitaktmotors dafür verantwortlich ist, die hohe Gemischtemperatur bereitzustellen, die notwendig ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern.
  • In Viertaktmotoren mit einem traditionellen Ventilmittel ist der Restinhalt niedrig und die gesteuerte Selbstzündung bei Teillast ist schwierig zu erreichen. Bekannte Verfahren, um eine gesteuerte Selbstzündung bei niedriger und Teillast einzuleiten, umfassen: 1) Ansauglufterwärmung; 2) variables Verdichtungsverhältnis; und 3) Mischen von Benzin mit Kraftstoff, der weitere Selbstzündungsbereiche als Benzin aufweist. In all den obigen Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, relativ schmal.
  • Motoren, die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind in Viertakt-Benzinmotoren unter Verwendung einer variablen Ventilbetätigung mit unkonventionellen Ventilmitteln demonstriert worden. Das nun Folgende sind Beschreibungen zweier derartiger Ventilstrategien, im Besonderen einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie und einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie. Mit beiden Ventilstrategien wird ein hoher Anteil von Restverbrennungsprodukten von vorhergehenden Verbrennungszyklen zurückbehalten, um die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch bereitzustellen. Der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, wird unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses stark ausgedehnt.
  • Eine derartige Ventilstrategie ist eine Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie (exhaust re-compression valve strategy). Es ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor offenbart worden, der für eine Selbstzündung sorgt, indem die Bewegung der Einlass- und Auslassventile einer Brennkammer gesteuert wird, um sicherzustellen, dass die Kraftstoff/Luft-Ladung mit verbrannten Gasen gemischt wird, um Bedingungen zu erzeugen, die für eine Selbstzündung geeignet sind. Insbesondere arbeitet dieser Motor mit einem mechanisch durch Nocken betätigten Auslassventil, das früher in dem Ausstoßtakt geschlossen wird, als bei normalen Viertaktmotoren, um verbrannte Gase für ein nachfolgendes Mischen mit einer Einlassmenge eines Kraftstoff- und Luftgemisches einzufangen.
  • Darüber hinaus ist ein ähnliches Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors offenbart worden, bei dem die Verbrennung zumin dest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Strömungen einer Kraftstoff/Luft-Ladung und von verbrannten Gasen werden durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um in der Brennkammer Bedingungen zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb geeignet sind.
  • Das verwendete Ventilmittel umfasst ein Einlassventil, das die Strömung des Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer steuert, und ein Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert. Das Auslassventil öffnet (EVO) bei etwa 10 bis 15 Grad vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionstakt und schließt (EVC) während des Ausstoßtaktes in einem Bereich von 90 bis 45 Grad vor dem oberen Totpunkt. Das Einlassventil wird später in dem Viertaktzyklus geöffnet (IVO) als in einem normalen Viertaktmotor üblich in einem Bereich von 45 bis 90 Grad nach dem oberen Totpunkt während des Ansaugtaktes.
  • Das frühe Schließen des Auslassventils und späte Öffnen des Einlassventils liefert einen negativen Ventilüberschneidungszeitraum (EVC-IVO), in dem beide Auslass- und Einlassventile geschlossen sind, um verbranntes Gas einzufangen, welches später mit der angesaugten Kraftstoff/Luft-Ladung während des Ansaugtaktes vermischt wird und dadurch den Selbstzündungsprozess fördert. Das Einlassventil wird dann grob 30 Grad nach dem unteren Totpunkt in dem Verdichtungstakt geschlossen (IVC). Dies wird allgemein als eine Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie bezeichnet.
  • Es ist ein ähnliches Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung offenbart worden, bei dem die Verbrennung zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Eine Strömung von Luft und verbrannten Gasen wird durch das hydraulisch gesteuerte Ventilmittel wie oben beschrieben geregelt. Der Kraftstoff wird durch eine Benzineinspritzvorrichtung direkt in die Brennkammer abgegeben. Die Benzineinspritzvorrichtung spritzt Kraftstoff entweder während des Ansaugtaktes oder des nachfolgenden Verdichtungstaktes in einem einzigen Motorzyklus ein.
  • Darüber hinaus sind ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors offenbart worden, bei dem ein Teillastbetrieb durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Strömungen von Luft und verbrannten Gasen werden geregelt durch entweder ein mechanisches (Phasenverschiebung eines einzelnen Nockens oder eine Verschiebung zwischen zwei unterschiedlichen Nocken) oder ein elektromagnetisches Ventilmittel ähnlich dem oben beschriebenen. Eine Steuerung des Selbstzündungsprozesses wird abhängig von der Größe eines vorbestimmten Betriebsparameters in drei Betriebsarten unterteilt. Der Betriebsparameter gibt entweder die Motorlast oder die Motordrehzahl an. Die drei Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsarten sind: eine Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit Benzinreformierung, eine Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit geschichteter Ladung und eine Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit homogener Ladung.
  • In der Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit Benzinreformierung, die während des Betriebes mit niedriger Teillast ausgewählt werden kann, erzeugt eine erste Kraftstoffeinspritzung während des Zeitraums mit negativer Ventilüberschneidung ein ausreichendes Ausmaß an chemischer Reaktion zur Förderung einer Selbstzündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, das von einer zweien Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Verdichtungstaktes erzeugt wird. Die Kraftstoffmenge für die erste Einspritzung ist als entweder konstant oder umgekehrt proportional zu der Motorlast offenbart worden. Der entsprechende Einspritzzeitpunkt ist jedoch bei zunehmender Motorlast als entweder auf eine kontinuierliche Weise verzögert oder konstant gehalten offenbart worden. In der Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit geschichteter Ladung, die während des dazwischen liegenden Teillastbetriebes ausgewählt werden kann, unterstützt eine Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstaktes eine Selbstzündung. Der Einspritzzeitpunkt wird nach früh verstellt, wenn die Motorlast zunimmt. In der Selbstzündungsverbrennungs-Betriebsart mit homogener Ladung, die während des Betriebes mit hoher Teillast ausgewählt werden kann, unterstützt eine Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes eine Selbstzündung. Es ist offenbart worden, dass der Einspritzzeitpunkt gegenüber einer Schwankung der Motorlast unveränderlich ist.
  • Wir haben eine Strategie zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und erweiterter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung von niedriger bis mittlerer Last demonstriert. Strömungen von Luft und verbrannten Gasen werden geregelt durch entweder ein elektrohydraulisch gesteuertes Ventilmittel (vollständig flexible Ventilbetätigung) ähnlich dem oben beschriebenen oder ein mechanisch gesteuertes Ventilmittel (Phasenverschiebung eines einzelnen Nockens oder eine Verschiebung zwischen zwei unterschiedlichen Nocken) ähnlich dem oben beschriebenen. Das Ventilmittel wird in Verbindung mit einer Benzindirekteinspritzvorrichtung verwendet, die eine Mehrfacheinspritzfähigkeit während eines einzigen Motorzyklus aufweist. Der Einspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und der Anteil von Kraftstoffaufteilung, falls diese erwünscht ist, werden elektronisch gesteuert. Unterschiedliche Zeiträume mit negativer Ventilüberschneidung und unterschiedliche Einspritzstrategien sind bei unterschiedlichen Motorlasten für eine optimale Steuerung der Verbrennungsphaseneinstellung und somit des Motorleistungsvermögens erforderlich.
  • Das Steuern des Selbstzündungsprozesses ist in drei Stadien von niedriger bis mittlerer Last unterteilt. Es ist experimentell bestätigt worden, dass zum Aufrechterhalten einer optimalen Phaseneinstellung der Selbstzündungsverbrennung während des gesamten festgestellten Lastbereichs der Zeitraum mit negativer Ventilüberschneidung mit abnehmender Motorlast zunimmt. Darüber hinaus erzeugt bei einem Betrieb mit niedriger Teillast (Stadium 1) eine erste Einspritzung einer festgelegten Menge an Kraftstoff während des Zeitraums mit negativer Ventilüberschneidung ein ausreichendes Ausmaß an Wärme und chemischen Spezies, die stärker reaktionsfähig sind als der Kraftstoff zur Förderung der Selbstzündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, das von einer zweiten Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Verdichtungstaktes erzeugt wird. Wenn die Motorlast zunimmt, werden auf eine kontinuierliche Weise der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung nach spät verstellt und der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung nach früh verstellt. Während des Betriebes mit dazwischen liegender Teillast (Stadium 2) unterstützt eine erste Einspritzung von Kraftstoff während des Zeitraums mit negativer Ventilüberschneidung, der sofort eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des nachfolgenden Ansaugtaktes folgt, eine Selbstzündung. Eine optimale Trennung der beiden Einspritzungen beträgt etwa 30 bis 60 Kurbelwinkelgrade. Die Einspritzzeitpunkte von beiden Einspritzungen werden auf kontinuierliche Weise nach spät verstellt, wenn die Motorlast zunimmt. Während des Betriebes mit hoher Teillast (Stadium 3) unterstützt eine einzige Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes eine Selbstzündung. Der Einspritzzeitpunkt wird nach spät verstellt, wenn die Motorlast zunimmt. Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung bei der Ausdehnung des Lastbereiches eines Viertakt-Benzinmotors mit Direkteinspritzung und Selbstzündung unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses effektiv ist.
  • Eine zweite Ventilstrategie ist eine Abgasrücksaug-Ventilstrategie (exhaust re-breathing valve strategy). Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors offenbart worden, bei dem die Verbrennung zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht wird. Eine Strömung einer Luft/Kraftstoff-Ladung und von verbrannten Gasen wird durch ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um Bedingungen in der Brennkammer zu erzeugen, die für einen Selbstzündungsbetrieb geeignet sind. Die verwendeten Ventilmittel umfassen ein Einlassventil, das die Strömung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer steuert, und ein Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert. Das Auslassventil wird für zwei getrennte Zeiträume während des gleichen Viertaktzyklus geöffnet. Das Auslassventil wird für einen ersten Zeitraum geöffnet, um zuzulassen, dass verbrannte Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden können. Das Auslassventil wird für einen zweiten Zeitraum geöffnet, um zuzulassen, dass verbrannte Gase, die zuvor aus der Brennkammer ausgestoßen wurden, wieder zurück in die Brennkammer gesaugt werden. Das doppelte Öffnen des Auslassventils während jedes Viertaktzyklus erzeugt die notwendige Bedingung für eine Selbstzündung in der Brennkammer. Dies wird allgemein als eine Abgasrücksaugstrategie bezeichnet.
  • Wir haben ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und einer ausgedehnten Fähigkeit zum Steuern des Selbstzündungsprozesses bei niedriger Motorlast demonstriert. Bei diesem Verfahren wird eine Ventilstrategie, die das doppelte Öffnen des Auslassventils und ein einzelnes Öffnen des Einlassventils anwendet, in Verbindung mit einer Benzindirekteinspritzvorrichtung mit einer Mehrfacheinspritzfähigkeit während eines einzigen Motorzyklus verwendet. Beide Einlass- und Auslassventilmittel sind hydraulisch gesteuert. Durch geeignetes Wählen der Schließzeiten des Auslassventils für das erste Öffnungsereignis und der Öffnungszeiten für sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil für das zweite Öffnungsereignis können unterschiedliche Niveaus an Unterdruck in dem Zylinder erzeugt werden. Ein höherer Unterdruck in einem Zylinder führt zu einer erhöhten Ladungstemperatur beim Schließen des Einlassventils und führt zu einer verbesserten Verbrennungsstabilität für einen Motor mit gesteuerter Selbstzündung.
  • Die Verbrennungsstabilität des Motors wird mit einer intelligenten Aufteilungseinspritzstrategie verbessert, die zwei Einspritzungen pro Motorzyklus bewirkt. Das erste Einspritzereignis liefert 10–30 % des gesamten pro Zyklus in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffes während des frühen Teils des Ansaugtaktes, während das zweite Einspritzereignis den restlichen Kraftstoff während des späteren Teils des Verdichtungstaktes liefert. Der Einspritzzeitpunkt jedes Einspritzereignisses und der Anteil der Kraftstoffaufteilung werden elektronisch gesteuert. Unterschiedliche Niveaus an Unterdruck in einem Zylinder und Aufteilungseinspritzstrategien sind bei unterschiedlichen Motorlasten für eine optimale Steuerung der Verbrennungsphaseneinstellung und des Motorleistungsvermögens erforderlich. Es hat sich erwiesen, dass beide Demonstrationen die Niederlastgrenze von Viertakt-Benzinmotoren mit Direkteinspritzung und Selbstzündung effektiv ausdehnen.
  • Wir haben auch eine Strategie zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung und erweiterter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung von niedrigerer bis mittlerer Last demonstriert. Strömungen von Luft und verbrannten Gasen werden geregelt durch entweder ein elektrohydraulisch gesteuertes Ventilmittel (vollständig flexible Ventilbetätigung) ähnlich dem oben beschriebenen oder ein mechanisch gesteuertes Ventilmittel (Phasenverschiebung eines einzelnen Nockens oder eine Verschiebung zwischen zwei unterschiedlichen Nocken). Das Ventilmittel wird in Verbindung mit einer Benzindirekteinspritzvorrichtung mit einer Mehrfacheinspritzfähigkeit während eines einzigen Motorzyklus ähnlich der oben beschriebenen verwendet. Der Einspritzzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und der Anteil der Kraftstoffaufteilung, falls diese erwünscht ist, werden elektronisch gesteuert. Unterschiedliche Niveaus an Unterdruck in einem Zylinder und unterschiedliche Einspritzstrategien sind bei unterschiedlichen Motorlasten für eine optimale Steuerung der Verbrennungsphaseneinstellung und somit des Motorleistungsvermögens erforderlich. Eine Steuerung des Selbstzündungsprozesses ist in zwei Stadien von niedriger bis hoher Teillast unterteilt.
  • Es ist experimentell bestätigt worden, dass zum Aufrechterhalten einer optimalen Selbstzündungsverbrennungsphaseneinstellung durch den gesamten Lastbereich hindurch der erforderliche Unterdruck im Zylinder mit zunehmender Motorlast abnimmt. Während des Betriebes mit niedriger Teillast fördert darüber hinaus eine erste Einspritzung von 10–30 % des gesamten eingespritzten Kraftstoffes während des frühen Teils des Ansaugtaktes eine Selbstzündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, das von einer zweiten Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Verdichtungstaktes erzeugt wird. Der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung wird nach spät verstellt und der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung wird nach früh verstellt und zwar auf eine kontinuierliche Weise, wenn die Motorlast zunimmt, um übermäßige Rauchemission zu vermeiden. Während des Betriebes mit dazwischen liegender und hoher Teillast unterstützt eine einzige Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes eine Selbstzündung. Der Einspritzzeitpunkt wird nach spät verstellt, wenn die Motorlast zunimmt, um übermäßige Rauchemission zu vermeiden. Es ist gezeigt worden, dass das Verfahren beim Ausdehnen des Lastbereiches eines Viertakt-Benzinmotors mit Direkteinspritzung und Selbstzündung unter Verwendung eines herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses effektiv ist.
  • Die obigen Beschreibungen zeigen unsere Methoden beim Betreiben von Benzinmotoren mit Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündungsverbrennung über praxisübliche Drehzahl- und Lastbereiche im stationären Betrieb. Für einen erfolgreichen Betrieb eines HCCI-Motors unter transienten Bedingungen sind andere Steuerparameter als Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt und Ventilzeitpunkte von Bedeutung. Beispielsweise wird unter einer gegebenen Einspritz- und Ventilstrategie die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung durch das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis stark beeinflusst. Somit ist eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung erwünscht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung bei konstantem Einlasskrümmerdruck und konstanter Kraftstoffbeaufschlagungsrate bereit. In einer Ausführungsform wird ein Strömungssteuerventil in einem Zweig der Einlassleitungen für einen Motor mit einem Ventil mit zwei Einlässen pro Zylinder (two-intake-valve per cylinder) angewandt. Ein Drallsteuerventil, das gegenwärtig in einem Motor mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung für eine Steuerung der Luftbewegung in einem Zylinder verwendet wird, kann als das Strömungssteuerventil verwendet werden. Der Motor wird entweder mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie betrieben. Eine Veränderung der Strömungssteuerventileinstellung hat eine grundlegende Auswirkung auf die Menge an frischer Ladeluft, die in den Zylinder gesaugt wird, und somit auf das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Wirksamkeit des Strömungssteuerventils auf die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung unterscheidet sich abhängig von der Ventilstrategie und der Motordrehzahl. Im Besonderen führt ein Schließen des Strömungssteuerventils zu einem niedrigeren abgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei einem festen Einlasskrümmerdruck für alle Ventilstrategien, und die Reduktionsrate nimmt mit zunehmender Motordrehzahl zu. Darüber hinaus ist die Verringerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Verwendung einer Abgasrücksaugstrategie viel ausgeprägter als unter Verwendung einer Abgasrückverdichtungsstrategie.
  • In einer anderen Ausführungsform wendet das Verfahren eine variable Ventilhubsteuerung an, wobei die Verfügbarkeit eines arbeitsfähigen variablen Ventilbetätigungssystems in dem Motor angenommen wird. Der Motor wird entweder mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie betrieben. Die Wirksamkeit des Ventilhubes auf die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert abhängig von der Motordrehzahl und der Ventilstrategie, die für die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung verwendet wird. Im Allgemeinen nimmt das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit abnehmendem Ventilhub ab. Die Wirksamkeit der Ventilhubsteuerung auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt mit zunehmender Motordrehzahl zu. Im Besonderen nimmt für die Abgasrückverdichtungsstrategie das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur bei einem festen Einlasskrümmerdruck mit abnehmendem Auslassventilhub ab. Der Einlassventilhub hat mit der Abgasrückverdichtungsstrategie keine Wirkung auf das abgegebene Luft- Kraftstoff-Verhältnis. Jedoch hat der Auslassventilhub für die Abgasrücksaugstrategie keine Wirkung auf das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird nur durch den Einlassventilhub beeinflusst.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bestimmten besonderen Ausführungsformen der Erfindung zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine schematische Darstellung eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 1B ist eine schematische Ansicht von oben des Motors von 1A;
  • 2 ist ein Graph von Ventilhubprofilen als Funktion des Kurbelwinkels für die Auslass- und Einlassventile eines Viertakt-Verbrennungsmotors (bei 1875 U/min/85 kPa NMEP), der mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie arbeitet, die ein vollständig flexibles Ventilbetätigungssystem (FFVA-System) verwendet;
  • 3 ist ein Graph von Ventilhubprofilen als Funktion des Kurbelwinkels für die Auslass- und Einlassventile eines Viertakt-Verbrennungsmotors (bei 1875 kPa/85 kPa NMEP), der mit einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie unter Verwendung eines FFVA-Systems arbeitet;
  • 4 ist ein Graph des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als Funktion der Strömungssteuerventileinstellung für einen Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der mit entweder einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei Motordrehzahlen von 800 und 1875 U/min arbeitet, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist ein Graph des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als Funktion des Spitzenventilhubs für einen Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie bei 1000 U/min arbeitet, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 ist ein Graph des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als Funktion des Spitzenventilhubs für einen Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der mit einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei 1000 U/min arbeitet, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Der Einfachheit halber werden die folgenden Beschreibungen die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung richten, obwohl festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung anwendbar ist.
  • In 1A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung 10 gezeigt. In dem Motor ist ein Kolben 12 in einem Zylinder 14 bewegbar und bildet mit dem Zylinder 14 eine Brennkammer 16 mit variablem Volumen. Ein Einlasskanal 18 führt der Brennkammer 16 Luft zu. Die Luftströmung in die Brennkammer 16 wird durch ein Einlassventil 20 gesteuert. Verbrannte Gase können aus der Brennkammer 16 über einen Auslasskanal 22 strömen, und die Strömung von verbrannten Gasen durch den Auslasskanal 22 wird durch ein Auslassventil 24 gesteuert.
  • Der Motor der vorliegenden Erfindung, wie er in 1A gezeigt ist, weist einen hydraulisch gesteuerten Ventiltrieb mit einem elektronischen Controller 26 auf, der programmierbar ist und das Öffnen und Schließen sowohl der Einlassventile 20 als auch der Auslassventile 24 hydraulisch steuert. Der elektronische Controller 26 wird die Bewegung des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 steuern, wobei die Position der Einlass- und Auslassventile 20 und 24 berücksichtigt wird, wie sie von zwei Positionswandlern 28 und 30 gemessen wird. Der Controller 26 wird auch die Position des Motors berücksichtigen, die von einem Rotationssensor 32 gemessen wird, der mit einer Kurbelwelle 34 des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei die Kurbelwelle 34 durch eine Pleuelstange 36 mit dem Kolben 12, der sich in dem Zylinder 14 hin- und herbewegt, verbunden ist.
  • Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung 38, die von dem elektronischen Controller 26 gesteuert wird, wird dazu verwendet, Kraftstoff direkt in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Eine Zündkerze 40, die ebenfalls von dem elektronischen Controller 26 gesteuert wird, wird dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung des Motors über den Motorlastbereich hinweg zu verbessern. Obgleich der oben beschriebene einfache Motor keine Zündkerze für den Betrieb unter einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung benötigt, hat es sich als wünschenswert erwiesen, eine Zündkerze zu verwenden, um den Selbstzündungsprozess zu ergänzen, insbesondere bei Startbedingungen. Es hat sich auch als wünschenswert erwiesen, auf einer Selbstzündung nur unter Teillast/Niederdrehzahl-Betriebsbedingungen zu beruhen und eine Funkenzündung während Hochlast/Hochdrehzahl-Betriebsbedingungen zu verwenden.
  • Der in 1A gezeigte Motor umfasst auch ein Strömungssteuerventil 42 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das Strömungssteuerventil 42 ist innerhalb des Einlasskanals 18 angeordnet und kann sich in einem Zweig der Einlassleitungen des Einlasskanals 18 befinden, wenn der Motor als Motor mit einem Ventil mit zwei Einlässen pro Zylinder konfiguriert ist, wie es in 1B gezeigt ist. Das Strömungssteuerventil 42 kann irgendeine Art von Steuerventil sein. Beispielhaft wird hierin ein existierendes Drallsteuerventil, das früher für die Steuerung einer Luftbewegung in einem Zylinder in einem Motor mit geschichteter Ladung und Benzindirekteinspritzung verwendet worden ist, verwendet, um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren.
  • Die Steuerung der Bewegung des Einlassventils 20 und Auslassventils 24 gemäß einer Abgasrückverdichtungsstrategie ist in 2 für einen Motor mit gesteuerter Selbstzündung dargestellt, der bei 1875 U/min und 85 kPa NMEP und unter Verwendung eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA-Systems) arbeitet. In 2 öffnet das Auslassventil 24, gezeigt durch eine durchgezogene Linie, annähernd 30 Grad vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionstakt und schließt während des Ausstoßtaktes annähernd 90 Grad vor dem oberen Totpunkt. Das Einlassventil 20, gezeigt durch eine gestrichelte Linie, öffnet später in dem Motorzyklus als in einem normalen Ottomotor bei annähernd 90 Grad nach dem oberen Totpunkt während des Ansaugtaktes. Das frühe Schließen des Auslassventils und späte Öffnen des Einlassventils liefert einen Zeitraum mit negativer Ventilüberschneidung, in welchem das Auslass ventil 24 und das Einlassventil 20 beide geschlossen sind, um das verbrannte Gas einzufangen, das sich später mit der Kraftstoff/Luft-Ladung mischt, die während des Ansaugtaktes angesaugt wird, wodurch der Selbstzündungsprozess gefördert wird. Das Einlassventil schließt grob 30 Grad nach dem unteren Totpunkt in dem Verdichtungstakt.
  • Die Steuerung der Bewegung des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 gemäß der Abgasrücksaug-Ventilstrategie ist in 3 für einen Motor mit gesteuerter Selbstzündung dargestellt, der bei 1875 U/min und 85 kPa NMEP und unter Verwendung eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems (FFVA-Systems) arbeitet. In 3 wird das Auslassventil 24, gezeigt durch eine durchgezogene Linie, während einer Drehung der Kurbelwelle 34 um 720 Grad, d.h. eines Motorzyklus, zweimal geöffnet. Während des ersten Öffnungszeitraums werden verbrannte Gase aus der Brennkammer 16 in den Auslasskanal 22 ausgestoßen. Während des zweiten Öffnungszeitraums werden zuvor ausgestoßene verbrannte Gase aus dem Auslasskanal 22 zu derselben Zeit zurück in die Brennkammer 16 gesaugt wie eine Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung aus dem Einlasskanal 18 in die Brennkammer 16 gesaugt wird. Somit wird ein Vermischen von verbrannten Gasen und der Luft- oder Kraftstoff/Luft-Ladung erreicht und fördert die richtigen Bedingungen für eine Selbstzündung.
  • Eine Selbstzündung der Mischung aus verbrannten Gasen, Luft und entweder vorgemischtem oder direkt eingespritztem Kraftstoff tritt nach der Verdichtung des Gemisches während des Verdichtungstaktes auf. Die Verbrennung des Gemisches bewirkt dann, dass sich die Gase in dem Arbeitstakt ausdehnen. Dann beginnt der Viertaktzyklus erneut. Im Besonderen für die oben angegebenen Motorbetriebsbedingungen wird das Auslassventil 24 das erste Mal während eines Motorzyklus bei grob 20 Grad nach dem unteren Totpunkt am Ende des Expansionstaktes geöffnet. Das Auslassventil 24 wird dann das erste Mal nahe bei dem Ende des Auslasstaktes geschlossen. Sowohl das Einlassventil 20, das durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, als auch das Auslassventil 24 werden bei etwa 80 Grad nach dem Ende des Ausstoßtaktes geöffnet und annähernd 30 Grad nach dem Ende des Ansaugtaktes geschlossen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren für eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, dass ein Strömungssteuerventil angewandt wird, wie es in den 1a und 1b gezeigt ist. 4 veranschaulicht die experimentell beobachteten Schwankungen in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis als Funktion der Strömungssteuerventileinstellung in einem Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung unter Verwendung von entweder einer Abgasrückverdichtungs- oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie bei 85 kPa NMEP Last und Motordrehzahlen von entweder 800 oder 1875 U/min. Eine Strömungssteuerventileinstellung von 30 Grad entspricht einer vollständig geschlossenen Position, während eine Einstellung von 90 Grad einer vollständig offenen Position entspricht. Teilweise geöffnete Positionen entsprechen einer Strömungssteuerventileinstellung zwischen 30 und 90 Grad. 4 gibt an, dass: 1) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unempfindlich ist gegenüber einer Strömungssteuerventileinstellung bei 800 U/min (durchgezogene und gestrichelte Linien mit gefüllten Dreiecken) ungeachtet der verwendeten Ventilstrategie; 2) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis empfindlich ist gegenüber einer Strömungssteuerventileinstellung bei 1875 U/min für sowohl Abgasrückverdichtungs-(Linie mit gefüllten Quadraten) als auch Abgasrücksaug-(Linie mit offenen Quadraten)-Ventilstrategien ist; und 3) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit von 90 Grad (vollständig offen) bis 30 Grad (vollständig geschlossen) abnehmender Strömungssteuerventileinstellung abnimmt. Die Abnahme des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist viel stärker ausgeprägt, wenn der Motor mit einer Abgasrück saugstrategie (46 bis 33) anstelle mit einer Abgasrückverdichtungsstrategie (28 bis 25) arbeitet.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, dass ein variabler Ventilhub angewandt wird, wobei die Verfügbarkeit eines variablen Ventilbetätigungssystems angenommen wird. Die Wirksamkeit der Verwendung des Ventilhubes für die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert abhängig von der Motordrehzahl und der Ventilstrategie, die für die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung verwendet wird. Im Allgemeinen nimmt das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit abnehmendem Ventilhub ab. Die Wirksamkeit der Verwendung einer Ventilhubsteuerung auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt mit zunehmender Motordrehzahl zu. Insbesondere zeigt 5, dass für die Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur mit abnehmendem Auslassventilhub abnimmt (Linie mit gefüllten Dreiecken). Der Einlassventilhub hat mit der Abgasrückverdichtungsstrategie keine Wirkung auf das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Linie mit gefüllten Quadraten). Für die Abgasrücksaugstrategie (siehe 6) hat jedoch der Auslassventilhub keine Wirkung auf das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Linie mit gefüllten Dreiecken). Das abgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird nur durch den Einlassventilhub beeinflusst (Linie mit gefüllten Quadraten).
  • Obwohl der Ventilhub in der zweiten Ausführungsform des Verfahrens für die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wurde, ist es gleichermaßen wirksam, wenn stattdessen die Ventildauer verwendet wird. Während das Einlassventil 20 und das Auslassventil 24 in den obigen Ausführungsformen elektrohydraulisch betätigt sind, können sie darüber hinaus mechanisch oder elektrisch unter Verwendung einer elektromagnetischen Kraft betätigt sein.
  • Obgleich die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist festzustellen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Gedankens und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen werden könnten. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern soll den vollen Umfang haben, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen ist.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Viertaktverbrennung mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung offenbart. Der Motor wird mit zwei aufeinander folgenden Paaren von Expansions- und Kontraktionstakten während zweier Umdrehungen der Motorkurbelwelle betrieben, wobei die zwei Umdrehungen einen Verbrennungszyklus definieren. Es wird ein System angewandt, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen und die Strömung von Luft und verbrannten Gasen, die in die Brennkammer eintreten, einzustellen. Die Einstellung der Strömung beeinflusst das resultierende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer. Das Ventilbetätigungssystem ist anwendbar, um die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs- oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben. Jede Ventilstrategie beeinflusst das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder und bewirkt, dass ein Anteil von verbrannten Gasen aus vorhergehenden Verbrennungszyklen in dem Zylinder zurückgehalten wird, um die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bereitzustellen.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Viertaktmotor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung, der mindestens einen Zylinder mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung aufweist, der einen Kolben enthält, der hin- und herbeweglich mit einer Kurbelwelle verbunden ist und eine Brennkammer mit variablen Volumen bildet und mindestens ein Einlassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Lufteinlass steuert, und mindestens ein Auslassventil umfasst, das die Kommunikation mit einem Abgasauslass steuert, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motor mit zwei aufeinander folgenden Paaren von Expansions- und Kontraktionstakten während zweier Umdrehungen der Kurbelwelle betrieben wird, wobei die zwei Umdrehungen der Kurbelwelle einen Verbrennungszyklus definieren; ein variables Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um die Einlass- und Auslassventile variabel zu betätigen; und die Strömung von Luft und verbrannten Gasen, die in die Brennkammer eintritt, eingestellt wird; wobei das Einstellen der Strömung das resultierende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer beeinflusst; wobei das Ventilbetätigungssystem anwendbar ist, um die Einlass- und Auslassventile mit einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie oder einer Abgasrücksaug-Ventilstrategie zu betreiben, wobei jede Ventilstrategie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder beeinflusst; und wobei jede Ventilstrategie bewirkt, dass ein Anteil von verbrannten Gasen aus den vorhergehenden Verbrennungszyklen in dem Zylinder zurückgehalten wird, um die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bereitzustellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das die Schritte umfasst, dass: ein Strömungssteuerventil in einem Lufteinlass jedes Zylinders bereitgestellt wird; und das Strömungssteuerventil zwischen einer vollständig offenen Position und einer vollständig geschlossenen Position eingestellt wird; wobei das Einstellen des Strömungssteuerventils die Menge an Frischluftladung, die während Ansaugabschnitten der Expansionstakte nach dem Öffnen des Einlassventils in den Zylinder gesaugt wird, beeinflusst, wodurch das resultierende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer beeinflusst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Motor zwei Einlassventile pro Zylinder umfasst, und der Lufteinlass des Motors zwei Einlassleitungen umfasst, wobei jedes Ventil die Kommunikation mit einer der Einlassleitungen steuert; und der Schritt des Bereitstellens eines Strömungssteuerventils in dem Lufteinlass jedes Zylinders umfasst, dass ein Strömungssteuerventil in einer der Einlassleitungen des Lufteinlasses bereitgestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anwendens eines variablen Ventilbetätigungssystems umfasst, dass das Ventilbetätigungssystem angewandt wird, um den Hub des Einlassventils oder des Auslassventils zu verändern; wobei das Verändern des Hubes entweder des Einlassventils oder des Auslassventils das resultierende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer beeinflusst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Veränderns des Hubes entweder des Einlassventils oder des Auslassventils umfasst, dass der Hub zwischen 1 und 8 mm verändert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anwendens eines variablen Ventilbetätigungssystems umfasst, dass ein elektrohydraulisch gesteuertes Ventilsystem angewandt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anwendens eines variablen Ventilbetätigungssystems umfasst, dass ein mechanisch gesteuertes Ventilsystem angewandt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen den Werten von 14,6 und 46 gesteuert wird.
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