DE112005002669B4

DE112005002669B4 - Luftmanagementstrategie für eine Eigenzündung in einem Verdichtungszündungsmotor

Info

Publication number: DE112005002669B4
Application number: DE112005002669.8T
Authority: DE
Inventors: William Ojeda; Xilin Yang
Original assignee: International Engine Intellectual Property Co LLC
Current assignee: International Engine Intellectual Property Co LLC
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: WO2006049749A1; GB2435763A; JP2008518160A; DE112005002669T5; JP4850842B2; US7013212B1; GB0708121D0

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verdichtungszündungsmotors, der ein prozessorbasiertes Motorsteuerungssystem aufweist, das sowohl ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen des Motors mit Kraftstoff als auch ein variables Ventilsteuerungssystem steuert, das einen Betrieb von Einlassventilen steuert, die ein Einlasssystem zu einzelnen Motorzylindern öffnen und schließen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Verarbeiten von bestimmten Daten, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten zum Versorgen eines Motorzylinders mit Kraftstoff als auch Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben eines Einlassventils für den Zylinder zu entwickeln; wobei die Einlassventil-Betriebsdaten durch Ausführen eines Algorithmus in dem Steuerungssystems entwickelt werden, das ein effektives Verdichtungsverhältnis des Zylinders steuert, um zu bewirken, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während eines Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb eines Temperaturbereichs ereignet; Versorgen des Zylinders mit Kraftstoff gemäß den Kraftstoffversorgungsdaten; und Betreiben des variablen Ventilbetätigungssystems gemäß den Einlassventil-Betriebsdaten, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Einlasssystem durch das Einlassventil in den Zylinder in einer Menge gelangen kann, die bewirkt, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während des Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb des definierten Temperaturbereichs ereignet, indem das variable Ventilbetätigungssystem das Einlassventil bei oder in der Nähe des Beginns eines Einlasshubs, der dem Verdichtungshub unmittelbar vorausgeht, öffnet und deutlich vor der Beendigung des Einlasshubs schließt, um eine Ausdehnung der im Zylinderinneren befindlichen Luft während des verbleibenden Einlasshubs zu ermöglichen, die ausreicht, um eine Verringerung der Zylinderinnentemperatur zu erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Verdichtungszündungs-Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft sie eine Luftmanagementstrategie zum Sicherstellen einer gewünschten Eigenzündung, wenn ein Dieselmotor durch ein alternatives Verbrennungsverfahren wie HCCI, CAI, DCCS oder HPCS betrieben wird.
Hintergrund der Erfindung
Bei einer HCCI (homogenous charge compression ignition = Verdichtungszündung mit homogener Ladung) handelt es sich um ein anerkanntes Verfahren zur Versorgung eines Dieselmotors mit Kraftstoff, wobei eine im Wesentlichen homogene Kraftstoff-Luftladung im Inneren eines Verbrennungszylinders während eines Verdichtungsaufwärtshubs eines Motorzyklus erzeugt wird. Nachdem eine gewünschte Kraftstoffmenge für die Ladung in den Zylinder eingespritzt worden ist, um ein im Allgemeinen homogenes Kraftstoffluftgemisch zu erzeugen, wird durch die zunehmende Verdichtung der Ladung durch den einen Aufwärtshub ausführenden Kolben ein ausreichend hoher Druck erzeugt, um eine Eigenzündung der Ladung in der Nähe oder am oberen Totpunkt (TDC = top dead centre) zu bewirken. Eine Eigenzündung kann sich als die im Wesentlichen zeitgleiche spontane Verbrennung von zerstäubtem Kraftstoff an verschiedenen Stellen innerhalb des Gemischs ereignen.
Zu den Eigenschaften einer HCCI gehört es, dass verhältnismäßig magere oder verdünnte Gemische verbrannt werden können, wodurch die Verbrennungstemperaturen verhältnismäßig niedrig gehalten werden. Durch Vermeiden der Erzeugung von verhältnismäßig höheren Verbrennungstemperaturen können sich durch eine HCCI erhebliche Reduktionen bei der Erzeugung von NOx ergeben, bei denen es sich um einen unerwünschten Bestandteil eines Motorabgases handelt.
Eine weitere Eigenschaft der HCCI ist, dass eine Eigenzündung einer im Wesentlichen homogenen Kraftstoff-Luftladung für eine vollständigere Verbrennung und folglich verhältnismäßig weniger Ruß im Motorabgas sorgt.
Der mögliche Vorteil einer HCCI bei der Reduktion von Auspuffemissionen ist daher ziemlich erheblich, und folglich ist die HCCI das Thema in der aktiven Forschung und Entwicklung vieler Wissenschaftler und Ingenieure auf dem Gebiet der Motorforschung und -konstruktion.
Die HCCI kann als eines von vielen alternativen Verbrennungsverfahren für einen Verdichtungszündungsmotor in Betracht gezogen werden. Zu den weiteren Verfahren, die als alternative Verbrennungsverfahren gelten können, gehören eine CAI (controlled auto ignition = gesteuerte Eigenzündung), eine DCCS (dilution controlled combustion systems = Verbrennungssysteme mit gesteuerter Verdünnung) und eine HPCS (highly premixed combustion systems = Verbrennungssysteme mit ausgeprägter Vorvermischung).
Egal wie ein alternatives Verbrennungssystem oder -verfahren bezeichnet wird, ist eine Eigenschaft, die ihnen gemein ist, dass ein Kraftstoff in einen Zylinder deutlich vor dem TDC eingespritzt wird, um eine Kraftstoff-Luftladung zu bilden, die zunehmend verdichtet wird, bis sich in der Nähe oder am oberen Totpunkt (TDC) eine Eigenzündung ereignet.
Falls solche alternativen Verfahren für einen speziellen Verbrennungsmotor und im Hinblick auf den gesamten Motorbetriebsbereich nicht geeignet sind, kann der Verbrennungsmotor in der überlieferten, herkömmlichen Weise eines Dieselmotors mit Kraftstoff versorgt werden, wobei eine Ladungsluft auf einen Punkt verdichtet wird, wo sie, wenn ein Kraftstoff in einen Zylinder eingespritzt wird, die unmittelbare Zündung des Kraftstoffs typischerweise in der Nähe oder am oberen Totpunkt bewirkt, wo die Verdichtung einen maximalen Wert erreicht.
Angesichts der Verfügbarkeit von prozessorgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystemen, die in der Lage sind, eine Kraftstoffeinspritzung mit einer Präzision zu steuern, die es ermöglicht, dass im Hinblick auf den gesamten Motorbetriebsbereich ein Kraftstoff während eines Motorzyklus mit unterschiedlichen Einspritzdrücken, zu unterschiedlichen Zeitpunkten und für unterschiedliche Zeitspannen eingespritzt werden kann, kann ein Dieselmotor durch alternative Verbrennungsverfahren und/oder eine überlieferte Dieselverbrennung betrieben werden.
Mit dem Aufkommen von variablen Ventilbetätigungssystemen wird ermöglicht, dass eine Zeitsteuerung von Motorventilen auf verschieden Arten und Weisen durch einen Prozessor und mit Präzision gesteuert werden kann. Wie an späterer Stelle in der Beschreibung erläutert wird, nutzt die vorliegende Erfindung die Fähigkeiten von solchen variablen Ventilbetätigungssystemen, ein effektives Verdichtungsverhältnis auf Weisen zu steuern, die einen Dieselmotor durch erhebliche Reduktionen von aus dem Motor austretenden Emissionen verbessern können. Einige Ventilbetätigungsmodi können sogar begleitend mit bescheidensten Verbesserungen in der Kraftstoffersparnis auftreten.
Weil ein Dieselmotor, der ein Kraftfahrzeug antreibt, mit unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten läuft, die von verschiedenen Eingaben in Bezug auf sowohl das Fahrzeug als auch den Motor abhängig sind, die einen Motorbetrieb beeinflussen, ändern sich die Kraftstoffversorgungsanforderungen mit der Veränderung von Drehzahl und Last. Ein zugehöriges Verarbeitungssystem verarbeitet Daten, die Parameter wie eine Motordrehzahl und eine Motorlast anzeigen, um Steuerungsdaten zum Einstellen einer gewünschten Motorkraftstoffversorgung für spezielle Betriebsbedingungen zu entwickeln, die eine ordnungsgemäße Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems für verschiedene Kombinationen aus Motordrehzahl und Motorlast sicherstellen.
Ein variables Ventilbetätigungssystem kann auch auf verschiedene Weisen gemäß den Drehzahl-Last-Bedingungen des Motors gesteuert werden, um für ein effektives Verdichtungsverhältnis zu sorgen, das für diese Bedingungen geeignet ist. Die richtige Steuerung eines effektiven Verdichtungsverhältnisses ist bei der Gewährleistung des besten Motorleistungsverhaltens von Bedeutung, während entsprechende Vorgaben bezüglich der aus dem Motor austretenden Emissionen eingehalten werden.
Aus der DE 699 23 519 T2 ist eine Verbrennungsmotorsteuerung bekannt, bei der die Zündung etwa am oberen Totpunkt des Kompressionshubs und das Schließen des Einlassventils etwa am unten Totpunkt des Kompressionshubs stattfindet. Dabei erfolgt das Schließen des Einlassventils nach dem Erreichen des unteren Totpunktes und nach der Beendigung des Einlasshubes.
Die US 2002/0011233 A1 lehrt, das Einlassventil nach dem Erreichen des unteren Totpunktes des Kompressionshubs zu schließen.
Kurzfassung der Erfindung
Es ist festgestellt worden, dass, wenn ein Dieselmotor durch ein alternatives Verbrennungsverfahren betrieben wird, ein Luftmanagement ein wichtiger Faktor beim Erreichen einer Eigenzündung zu einem gewünschten Zeitpunkt während des Motorzyklus ist. Angesichts der Verfügbarkeit von prozessorgesteuerten, variablen Ventilbetätigungssystemen können Motorventile durch verschieden Möglichkeiten zum Managen einer Luftströmung in die Zylinder betrieben werden, um ein gewünschtes effektives Verdichtungsverhältnis zu erreichen. Während sich die Motorbetriebsbedingungen verändern, kann ein effektives Verdichtungsverhältnis durch Wege bzw. Möglichkeiten verändert werden, die zum Ändern von Bedingungen geeignet sind.
Eine HCCI, DCCS, HPCS und andere alternative Verbrennungsmotorverfahren offenbaren sowohl theoretisch als auch experimentell die Möglichkeit erheblicher Reduktionen bezüglich der Werte der aus dem Motor austretenden Emissionen, einschließlich NOx und Ruß. Einer der Faktoren, die zum Erreichen diese Reduktionen effektive verwendet werden können, ist eine effektives Verdichtungsverhältnis.
Es wird davon ausgegangen, dass eine in der Industrie akzeptierte Definition für ein effektives Verdichtungsverhältnis das Verhältnis eines Zylinderinnendrucks zum Ende eines Verdichtungshubs zu dem Zylinderinnendruck zum Ende eines effektiven Einlasshubs ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird ein effektives Verdichtungsverhältnis als ECR (ECR = effective compression ratio = effektives Verdichtungsverhältnis) bezeichnet und als das Verhältnis des Zylinderinnendrucks am TDC zu einem Druck im Ansaugkrümmer definiert, der im Falle eines Motors mit Abgasturbolader ein Ladedruck oder einfach eine Aufladung ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer variablen Ventilbetätigungsstrategie für eine effektive ECR-Steuerung, um eine gewünschte Zylinderinnentemperatur zu Beginn einer Verbrennung zu erreichen, wenn ein Motor durch ein alternatives Verbrennungsverfahren wie die vorstehend erwähnten betrieben wird
Obgleich ein Hauptvorteil der Erfindung eine Reduktion der aus dem Motor austretenden Emissionen ist, wird außerdem in Betracht gezogen, dass die Erfindung einen Verbesserungsbeitrag bei anderen Aspekten des Motorleistungsverhaltens in einem Kraftfahrzeug leisten kann, wie Gewinne bei der Kraftstoffersparnis, Geräuschreduktion und ein besseres Kaltstart- und Fahrverhalten. Außerdem kann die Erfindung kostenwirksam in Serienfahrzeugen verkörpert werden, die bereits elektronische Motorsteuerungssysteme und variable Ventilbetätigungssysteme aufweisen.
Es können verschieden Mechanismen, die in verschiedenen Patenten und Fachliteraturschriften offenbart sind, verwendet werden, um eine Veränderung des ECR eines Motors hervorzurufen. Beispiele, die zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in den gemeinsam gehaltenen Patenten US 6 044 815 A und US 6 263 842 A beschrieben. Diese Patente weisen hydraulisch unterstützte Motorventilstellglieder auf, die einzelne Ventile ändern und individuelle Zylinder für eine bessere Verbrennungssteuerung steuern können und die beim Kompensieren unterschiedlicher Ladungstemperaturen, die aus den unterschiedlichen Zylinderpositionen in einem Motor resultieren, nützlich sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, ein System und ein Verfahren zur Verbesserung der Verwendung von alternativen Verbrennungsverfahren in einem Dieselmotor in Bezug auf Aufgaben, die eine weitere Reduktion der Erzeugung von unerwünschten Bestandteilen in Motorabgasen, insbesondere Ruß und NOx, beinhalten. Diese Aufgaben werden dabei mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung ist in einer Luftmanagementstrategie verkörpert, die die Verwendung einer variablen Ventilbetätigung auf neuartige Weise zum Steuern eines ECR zum Erreichen von Zylinderinnentemperaturen umfasst, die für einen Beginn einer Eigenzündung zu gewünschten Zeitpunkten in einem Motorzyklus geeignet sind, die für ein zulässiges Motorleistungsverhalten in Verbindung mit bedeutsamen Reduktionen bei den aus dem Motor austretenden Emissionen, insbesondere von Ruß und NOx sorgen.
Die Strategie kann durch eine geeignete Programmierung in einem zugehörigen Verarbeitungssystem eines Motorsteuerungssystems implementiert werden.
Ein grundlegender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichtungszündungsmotors, der ein prozessorbasiertes Motorsteuerungssystem aufweist, das sowohl ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen des Motors mit Kraftstoff als auch ein variables Ventilbetätigungssystem steuert, das einen Betrieb der Einlassventile steuert, die ein Einlasssystem zu einzelnen Motorzylindern öffnen und schließen.
Das Verfahren weist ein Verarbeiten von bestimmten Daten auf, um sowohl die Kraftstoffversorgungsdaten für eine Kraftstoffversorgung eines Motorzylinders als auch Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben eines Einlassventils für den Zylinder zu entwickeln. Die Einlassventil-Betriebsdaten werden durch Ausführen eines Algorithmus in dem Steuerungssystem entwickelt, das ein ECR des Zylinders steuert, um zu bewirken, dass sich in dem Zylinder der Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs während eines Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ereignet. Der Zylinder wird gemäß den Kraftstoffversorgungsdaten mit Kraftstoff versorgt.
Das variable Ventilbetätigungssystem wird gemäß den Einlassventil-Betriebsdaten gesteuert, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Einlasssystem durch das Einlassventil in den Zylinder in einer Menge gelangt, der bewirkt, dass sich in dem Zylinder der Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs während des Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb des definierten Temperaturbereichs ereignet.
Ein weiterer grundlegender Aspekt betrifft einen Verdichtungszündungsmotor, der Zylinder, in deren Innerem sich eine Verbrennung ereignet, um den Motor zu betreiben, ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen der Zylinder mit Kraftstoff, ein Einlasssystem zum Einführen einer Ladungsluft in die Zylinder, das ein variables Ventilbetätigungssystem beinhaltet, das einen Betrieb von Einlassventilen steuert, die das Einlasssystem zu den einzelnen Motorzylinders öffnen und schließen, und ein prozessorbasiertes Motorsteuerungssystem aufweist, das sowohl das Kraftstoffversorgungssystem als auch das variable Ventilbetätigungssystem steuert.
Der Verarbeitungsbereich des Steuerungssystems verarbeitet bestimmte Daten, um Kraftstoffversorgungsdaten für eine Kraftstoffversorgung der Motorzylinder und Einlassventilbetriebsdaten zum Betreiben der Zylindereinlassventile zu entwickeln.
Die Einlassventil-Betriebsdaten werden durch Ausführen eines Algorithmus in dem Steuerungssystem entwickelt, das ein ECR der Zylinder steuert, um zu bewirken, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in den Zylindern während der Verdichtungshübe vor dem oberen Totpunkt bei Zylinderinnentemperaturen innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ereignet.
Ein speziellerer Aspekt von sowohl dem Verfahren als auch dem Motor ist, dass die Einlassventile beginnen, sich bei oder nahe dem Beginn eines Einlasshubs unmittelbar vor dem Verdichtungshub zu öffnen, und sich vor der Beendung des Einlasshubs schließen. Der Schließvorgang tritt deutlich vor der Beendung des Einlasshubs ein, um eine Ausdehnung der im Zylinder befindlichen Luft während des verbleibenden Einlasshubs zu ermöglichen, die ausreicht, um eine gewisse Verringerung der Zylinderinnentemperatur zu bewirken.
Die vorstehenden Zusammenhänge sind zusammen mit den Merkmalen und Vorteilen der Erfindung in der nachstehenden Offenbarung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu erkennen, wobei die derzeit als am besten erachtete Art und Weise zum Ausführen der Erfindung dargestellt wird. Diese Beschreibung beinhaltet Zeichnungen, die kurz wie folgt beschrieben werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Darstellung von Bereichen eines Motors, die für die Prinzipien der Erfindung von Bedeutung sind.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines variablen Ventilbetätigungssystems des Motors.
3 ist eine Graphauftragung, die mehrere repräsentative Einlassventil-Betriebsprofile darstellt.
4 ist eine Graphauftragung, die bestimmte Beziehungen zwischen einem ECR und den repräsentativen Profilen von 3 darstellt.
5 ist eine Graphauftragung, die bestimmte Beziehungen zwischen Zylinderinnentemperaturen und den repräsentativen Profilen von 3 darstellt.
6 ist eine Graphauftragung, die einen Verlauf einer Zylinderinnentemperatur während eines Bereichs eines Motorzyklus für die repräsentativen Profile von 3 darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt Bereiche eines exemplarischen Verbrennungsmotors 10, der die Grundsätze der vorliegenden Erfindung verkörpert. Der Motor 10 weist ein Einlasssystem 12 auf, durch das eine Ladungsluft zur Verbrennung in den Motor gelangt, und ein Auslasssystem 14, durch das die aus der Verbrennung resultierenden Abgase den Motor verlassen. Der Motor 10 arbeitet nach dem Prinzip der Verdichtungszündung, nicht der Funkenzündung, und wird durch einen Abgasturbolader aufgeladen, der nicht speziell gezeigt ist. Wird der Motor 10 als Kraftzugmaschine eines Kraftfahrzeugs wie eines Lastwagens verwendet, ist er durch einen Antriebsstrang mit den Antriebsrädern, die das Fahrzeug antreiben, verbunden.
Der Motor 10 weist mehrere Zylinder 16 auf (entweder in einer Reihenkonfiguration oder einer V-Konfiguration), die Verbrennungsräume bilden, in die ein Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüsen eines Kraftstoffsystems 18 eingespritzt wird, damit er sich mit der Ladungsluft vermischt, die durch das Einlasssystem 12 hineingelangt ist. Die Kolben, die sich in den Zylindern 16 hin- und herbewegen, sind mit einer Motorkurbelwelle gekoppelt.
Ein Kraftstoff-Luftgemisch in einem jeweiligen Zylinder 16 verbrennt unter einem Druck, der durch den entsprechenden Kolben erzeugt wird, während der Motorzyklus von seiner Verdichtungsphase in seine Arbeitphase übergeht, wodurch die Kurbelwelle angetrieben wird, die wiederum ein Drehmoment durch den Antriebsstrang an die Antriebsräder liefert, die das Fahrzeug antreiben. Die aus der Verbrennung resultierenden Gase werden durch ein Abgassystem 14 abgeführt.
Der Motor 10 weist Einlass- und Auslassventile auf, die Zylindern 16 zugehörig sind. Ein variables Ventilbetätigungssystem 20 öffnet und schließt zumindest die Einlassventile und kann auch die Auslassventile öffnen und schließen. Jeder Zylinder weist zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil auf.
Der Motor 10 weist außerdem ein Motorsteuerungssystem (ECS) 24 auf, das einen oder mehrere Prozessoren aufweist, die verschieden Daten verarbeiten, um Daten zum Steuern verschiedener Aspekte des Motorbetriebs zu entwickeln. Das ECS 24 arbeitet über entsprechende Schnittstellen mit sowohl einem Kraftstoffsystem 18 als auch einem variablen Ventilbetätigungssystem 20, um die Zeitsteuerung und die Kraftstoffmenge, die durch eine jeweilige Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzt wird, und zumindest die Öffnung und Schließung der Einlassventile, und möglicherweise auch die Öffnung und Schließung der Auslassventile, zu steuern.
Ein Bereich eines repräsentativen variablen Ventilbetätigungssystems 20 in 2 ist in Verbindung mit einem Nocken 30 auf einer Motornockenwelle 32 gezeigt. Dieser Abschnitt des Systems beinhaltet Vorrichtungen, die ermöglichen, dass das Grund-Ventilbetriebsprofil, das durch das System 20 bereitgestellt wird, für einen jeweiligen speziellen Zylinder angepasst werden kann, um Zylinder-Zylinder-Temperaturschwankungen aufgrund der speziellen Position eines Zylinders in einem Motor zu kompensieren. In einer Abhandlung von C. Vafidis „The Application of an Electro-Hydraulic VVA System on a Passenger Car C. R. Diesel Engine”, (ATA 20A2011) ist die Konstruktion von 2 beschrieben. Ein Vortrag dieser Abhandlung wurde bei der ATA (Associacioni Tecnica De Automobile) Congress on the The Future of Diesel Engine Technology for Passenger Cars, Porto Cervo, Italien, vom 12.–13. Oktober 2000 gehalten.
3 zeigt drei repräsentative Einlassventilprofile A₀, A₁, A₂. Das Profil A₀ weist den größten Ventilhub und die längste Öffnungszeitspanne auf. Das Profil A₂ weist den geringsten Ventilhub und die kürzeste Öffnungszeitspanne auf. Alle drei Profile zeigen, dass die Einlassventilöffnungen bei oder in der Nähe des Beginns eines Einlasshubs 40 unmittelbar vor einem Verdichtungshub 42 beginnt. Die Profile A₁, A₂ zeigen eine Einlassventilschließung vor der Beendung des Einlasshubs 40. Das Profil A₀ zeigt eine Einlassventilschließung nach der Beendung des Einlasshubs 40. In anderen Worten ereignet sich bei diesem speziellen variablen Ventilbetätigungssystem die Einlassventilschließung um so später, je größer der der Einlassventilhub ist.
Für einen gegebenen Druck im Motoreinlasssystem stromauf der Einlassventile ermöglicht jedes Einlassventil, dass eine jeweilige Luftmasse in einen jeweiligen Zylinder gelangen kann. Je später somit ein Einlassventil schließt, desto größer ist die Luftmenge in dem Zylinder, zumindest bis zum unteren Totpunkt (BDC = bottom dead center) zwischen dem Einlass- und dem Verdichtungshub.
Gemäß bestimmten Grundsätzen der Erfindung wird durch ein Schließen eines Einlassventil deutlich vor der Beendung des Einlasshubs eine Ausdehnung der Luft im Zylinder während des verbleibenden Einlasshubs ermöglicht, während das Volumen hin zum maximalen Wert am unteren Totpunkt zunimmt. Ein ausreichender Ausdehnungsbetrag führt zu einer Verringerung der Zylinderinnentemperatur, weil die Ausdehnungsenergie von der thermischen Energie der im Zylinderinneren eingeschlossenen Luft genommen wird. Somit wird durch Variieren des Einlassventilbetriebs, um den Betrag der Temperaturverringerung zu variieren, ein Steuerungsgrad bezüglich der Zylinderinnentemperatur ermöglicht. Die Möglichkeit, die Zylinderinnentemperatur auf diese Weise zu steuern, wird in der vorliegenden Erfindung praktiziert.
Durch Variieren eines Einlassventilbetriebs auf diese Weise wird ein ECR variiert. 4 zeigt ein Beispiel eines Bereichs mit Eigenzündung in Bezug auf die Beziehung zwischen dem ECR und dem Einlassventil. Die Korrelation eines jeweiligen der drei Einlassventilprofile A₀, A₁, A₂ mit dem Bereich ist ebenfalls dargestellt, wobei darauf hingewiesen wird, dass das Einlassventilprofil kontinuierlich variabel ist, wie durch die Linie 44 dargestellt ist.
Der schattierte Bereich von 4 zeigt insbesondere einen Teilbereich eines Verdichtungsverhältnisses ΔCR, der für eine Eigenzündung erforderlich ist. Die Auswahl eines speziellen Einlassventilprofils zum Betreiben der Einlassventile über ein System 20 wird durch die Luftmasse bestimmt, die für das Verbrennungsverfahren bei den aktuellen Motorbetriebsbedingungen notwendig ist (typischerweise sind die Motordrehzahl und die Motorlast grundlegende Betriebsbedingungen, die sich auf ein Einlassventilbetrieb auswirken). Durch die Auswahl eines Profils sollte auch die Erzeugung einer Bedingung verhindert werden, die zur Erzeugung eines Vakuums in einem Zylinder führen würde.
Ähnliche 5 stellen den Bereich einer Eigenzündung in Bezug auf die Beziehung zwischen den Gemischtemperaturen und dem Einlassventilhub dar. Die Korrelation eines jeweiligen der drei Einlassventilprofile A₀, A₁, A₂ zu dem Bereich ist ebenfalls dargestellt, wobei die Linie 46 zeigt, dass das Einlassventilprofil kontinuierlich variabel ist. Die Linie 44 in 5 stellt eine Zyklussimulation dar, die gezeigt hat, dass eine Vorverstellung der Zeitsteuerung der Einlassventilschließung in dem Motorzyklus (hin zum BDC und sogar noch früher hin zu dem nicht feuernden TDC) die Zylinderinnentemperaturen senkt.
Weil sich bei einem alternativen Dieselverbrennungsverfahren der Beginn einer Verbrennung bei oder in der Nähe des TDC ereignen sollte, wobei die Temperatur des Kraftstoff-Luftgemischs bei einer Temperatur innerhalb eines Bereich liegt, der den chemischen Eigenschaften einer ”kalten Flamme” entspricht, die für solche alternativen Verfahren charakteristisch sind, sollte das gewählte Ventilprofil eines sein, das diese Temperatur bereitstellt. Wenn die Gemischtemperatur bei einer vorbestimmten Anzahl von Graden vor dem TDC eine ist, die mit dem schattierten Bereich von 5 fällt, beginnt die Eigenzündung bei kalter Flamme zu dem richtigen Zeitpunkt in der Nähe des oder am oberen Totpunkt. Eine Eigenzündung beginnt irgendwo zwischen 600°–900°K (326,85–626,85°C). Bei etwa 600°K liegt eine „kalte Reaktion” vor, die für einen Dieselkraftstoff oder Kraftstoffe mit einer hohen Cetanzahl charakteristisch ist, der bei 900°K eine Reaktion mit einer heißen Flamme folgt, was für alle kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffe typisch ist (z. B. Benzin oder Diesel).
Somit kann man sich beim Steuern eines Einlassventilbetriebs, wie er hierin beschrieben ist, genau auf einen Ziel-ΔT-Bereich für eine Zylinderinnentemperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt im Motorzyklus festlegen, der die gewünschte Eigenzündung erreicht. Durch Wählen eines geeigneten Ventilprofils kann eine Zylinderinnentemperatur nahe des Endes des Verdichtungshubs in einer Weise gesteuert werden, die eine alternative Dieselverbrennnung auf eine Weise unterstützt, wodurch die aus dem Motor austretenden Emissionen wie NOx und Rauch reduziert werden. Es ist hinreichend bekannt, dass durch Begrenzen eines Spitzenwerts einer Zylinderinnentemperatur eine effektive Möglichkeit zur Verminderung von NOx besteht.
6 zeigt drei Innenzylindertemperaturverläufe für die drei Ventilprofile A₀, A₁, A₂. Das Dreieck 48 zeigt ein Beispiel für einen typischen Zylinderinneneinspritzungs-Zeitpunkt nahe des Beginns des Verdichtungshubs. Alternativ kann ein Kraftstoff ganz oder teilweise stromauf der Einlassventile eingespritzt werden, um Vorgemische zu erzeugen.
Die Zone 1 zeigt die Verbrennung bei kalter Flamme an, die für einen Kraftstoff mit hoher Cetanzahl wie einen Dieselkraftstoff typisch ist, wobei sich diese bei etwa 700°K (426,85°C) ereignet. Zone II zeigt die Verbrennung bei heißer Flamme, typischerweise bei 1000°K (726,85°C) an, die für kohlenstoffhaltige Kraftstoffe wie Diesel oder Benzin typisch ist. Wie dargestellt, kann eine Steuerung eines Einlassventilbetriebs eine Eigenzündung steuern. Das heißt, dass eine Einlassventilsteuerung (IVC) die Verbrennung bei heißer Flamme nahe des TDC für eine bessere Verbrennungseffizienz herbeiführen kann.
Zum Implementieren der Erfindung in einem Motor kann ein ECS 24 ein oder mehrere Kennfelder aufweisen, die verschiedene Profile A₀, A₁, A₂ mit verschiedenen Kombinationen aus Motordrehzahl und Motorlast in Korrelation bringen. Basierend auf einer Motordrehzahl und einer Motorlast und möglicherweise anderen Parametern, die nützlich sein können, wird ein entsprechendes Profil ausgewählt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verdichtungszündungsmotors, der ein prozessorbasiertes Motorsteuerungssystem aufweist, das sowohl ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen des Motors mit Kraftstoff als auch ein variables Ventilsteuerungssystem steuert, das einen Betrieb von Einlassventilen steuert, die ein Einlasssystem zu einzelnen Motorzylindern öffnen und schließen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Verarbeiten von bestimmten Daten, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten zum Versorgen eines Motorzylinders mit Kraftstoff als auch Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben eines Einlassventils für den Zylinder zu entwickeln; wobei die Einlassventil-Betriebsdaten durch Ausführen eines Algorithmus in dem Steuerungssystems entwickelt werden, das ein effektives Verdichtungsverhältnis des Zylinders steuert, um zu bewirken, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während eines Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb eines Temperaturbereichs ereignet; Versorgen des Zylinders mit Kraftstoff gemäß den Kraftstoffversorgungsdaten; und Betreiben des variablen Ventilbetätigungssystems gemäß den Einlassventil-Betriebsdaten, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Einlasssystem durch das Einlassventil in den Zylinder in einer Menge gelangen kann, die bewirkt, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während des Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb des definierten Temperaturbereichs ereignet, indem das variable Ventilbetätigungssystem das Einlassventil bei oder in der Nähe des Beginns eines Einlasshubs, der dem Verdichtungshub unmittelbar vorausgeht, öffnet und deutlich vor der Beendigung des Einlasshubs schließt, um eine Ausdehnung der im Zylinderinneren befindlichen Luft während des verbleibenden Einlasshubs zu ermöglichen, die ausreicht, um eine Verringerung der Zylinderinnentemperatur zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verarbeitens von bestimmten Daten, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten für die Versorgung eines Motorzylinders mit Kraftstoff als auch Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben eines Einlassventils für den Zylinder zu entwickeln, ein Verarbeiten von Daten aufweist, die Motordrehzahldaten und Motorlastdaten aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens des variablen Ventilbetätigungssystems gemäß den Einlassventil-Betriebsdaten, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Einlasssystem durch das Einlassventil in den Zylinder in einer Menge gelangen kann, die bewirkt, dass sich ein Beginn der Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während des Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb des definierten Temperaturbereichs ereignet, für einige Werte der bestimmten Daten, die während des Verarbeitungsschritts verarbeitet werden, ein Bewirken aufweist, dass das Einlassventil einen verhältnismäßig geringeren Hub und einen verhältnismäßig früheren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweist und, und für andere Werte der bestimmten Daten, die während des Verarbeitungsschritts verarbeitet werden, ein Bewirken, dass das Einlassventil einen verhältnismäßig größeren Hub und einen verhältnismäßig späteren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verarbeitens von bestimmten Daten, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten zum Versorgen eines Motorzylinders mit Kraftstoff und als auch von Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben eines Einlassventils für den Zylinder zu entwickeln, ein Verarbeiten von Daten aufweist, die Motordrehzahldaten und Motorlastdaten beinhalten, und der Schritt des Betreibens des variablen Ventilbetätigungssystems gemäß den Einlassventil-Betriebsdaten, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Einlasssystem durch das Einlassventil in den Zylinder in einer Menge gelangen kann, die bewirkt, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung des Kraftstoffs in dem Zylinder während des Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei einer Zylinderinnentemperatur innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ereignet, für einige Wert der Motordrehzahldaten und der Motorlastdaten, die während des Verarbeitungsschritts verarbeitet werden, ein Bewirken aufweist, dass das Einlassventil einen verhältnismäßig geringeren Hub und einen verhältnismäßig früheren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweist, und für andere Wert der Motordrehzahldaten und Motorlastdaten, die während des Verarbeitungsschritts verarbeitet werden, ein Bewirken, dass das Einlassventil einen verhältnismäßig größeren Hub und einen verhältnismäßig späteren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweist.
Verdichtungszündungsmotor, der folgende Merkmale aufweist: Zylinder innerhalb derer sich eine Verbrennung ereignet, um den Motor zu betreiben, ein Kraftstoffversorgungssystem zum Versorgen der Zylinder mit Kraftstoff; ein Einlasssystem zum Einführen einer Ladungsluft in die Zylinder, das ein variables Ventilbetätigungssystem beinhaltet, das einen Betrieb von Einlassventilen steuert, die das Einlasssystem zu einzelnen Motorzylindern öffnen und schließen; ein prozessorbasiertes Motorsteuerungssystem, das sowohl das Kraftstoffversorgungssystem als auch das variable Ventilbetätigungssystem durch Verarbeiten bestimmter Daten steuert, um Kraftstoffversorgungsdaten zum Versorgen der Motorzylinder mit Kraftstoff und Einlassventil-Betriebsdaten zum Betreiben der Zylindereinlassventile zu entwickeln; wobei die Einlassventil-Betriebsdaten durch Ausführung eines Algorithmus in dem Steuerungssystem entwickelt werden, das ein effektives Verdichtungsverhältnis der Zylinder steuert, um zu bewirken, dass sich ein Beginn einer Eigenzündung eines Kraftstoffs in den Zylindern während eines Verdichtungshubs vor dem oberen Totpunkt bei Zylinderinnentemperaturen innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ereignet; und wobei die Ausführung des Algorithmus bewirkt, dass das variable Ventilbetätigungssystem mit der Öffnung der Einlassventile bei oder in der Nähe des Beginns der Einlasshübe unmittelbar vor den Verdichtungshüben beginnt und die Einlassventile vor der Beendung der Einlasshübe schließt, und dass das variable Ventilbetätigungssystem die Einlassventile deutlich vor der Beendigung der Einlasshübe schließt, um eine Ausdehnung der Luft im Inneren der Zylinder während der verbleibenden Einlasshübe zu ermöglichen, die ausreicht, um eine Verringerung der Zylinderinnentemperatur herbeizuführen.
Motor nach Anspruch 5, wobei die bestimmten Daten, die verarbeitet werden, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten als auch Einlassventil-Betriebsdaten zu entwickeln, Daten aufweisen, die Motordrehzahldaten und Motorlastdaten beinhalten.
Motor nach Anspruch 5 wobei für einige Werte der bestimmten Daten die Ausführung des Algorithmus bewirkt, dass die Einlassventile einen verhältnismäßig geringeren Hub und einen verhältnismäßig früheren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweisen, und für andere Werte von bestimmten Daten die Ausführung des Algorithmus bewirkt, dass die Einlassventile einen verhältnismäßig größeren Hub und einen verhältnismäßig späteren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweisen.
Motor nach Anspruch 5, wobei die bestimmten Daten, die verarbeitet werden, um sowohl Kraftstoffversorgungsdaten als auch Einlassventil-Betriebsdaten zu entwickeln, Daten aufweisen, die Motordrehzahldaten und Motorlastdaten beinhalten, und für einige Werte der Motordrehzahldaten und der Motorlastdaten die Ausführung des Algorithmus bewirkt, dass die Einlassventile einen verhältnismäßig geringeren Hub und einen verhältnismäßig früheren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweisen, und für andere Werte der Motordrehzahldaten und der Motorlastdaten die Ausführung des Algorithmus bewirkt, dass die Einlassventile einen verhältnismäßigen größeren Hub und einen verhältnismäßig späteren Schließzeitpunkt während des Motorzyklus aufweisen.
Motor nach Anspruch 5, der einen Abgasturbolader beinhaltet, der einen Verdichter in dem Einlasssystem aufweist, um die Ladeluft, die in die Zylinder eintritt, mit einem Ladedruck zu versehen.