-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Diese
Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit gesteuerter Selbstzündung. Insbesondere beschäftigt sich
die Erfindung mit einer Verbrennungssteuerung zwischen einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung
bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis und einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung
bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis bei
Lastübergängen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Es
ist bekannt, dass eine verdünnte
Verbrennung – unter
Verwendung entweder von Luft oder von zurückgeführtem Abgas – einen
verbesserten thermischen Wirkungsgrad und niedrige NOx-Emissionen liefert,
um den thermischen Wirkungsgrad von Benzin-Brennkraftmaschinen zu
verbessern. Es gibt jedoch eine Grenze, bei welcher eine Maschine
mit einer verdünnten
Mischung betrieben werden kann, aufgrund von Fehlzündungen
und einer Verbrennungsinstabilität
als einer Folge einer langsamen Verbrennung. Bekannte Verfahren
zur Erweiterung der Verdünnungsgrenze
umfassen 1) ein Verbessern der Zündfähigkeit
der Mischung durch ein Verbessern der Zündung und der Kraftstoffvorbereitung,
2) ein Erhö hen
der Flammengeschwindigkeit durch ein Einführen einer Beladungsbewegung
und Turbulenz und 3) ein Betreiben der Maschine mit einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung.
-
Der
gesteuerte Selbstzündungsprozess
wird manchmal als der homogene Kompressionszündungsprozess (HCCI-Prozess,
HCCI von Homogeneous Charge Compression Ignition) bezeichnet. Bei diesem
Prozess wird eine Mischung aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff
erzeugt und eine Selbstzündung
wird gleichzeitig von vielen Zündorten
in der Mischung aus während
der Kompression eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Leistungsausgabe
und einer hohen thermischen Effizienz führt. Da die Verbrennung hochgradig
verdünnt
und einheitlich über die
Beladung verteilt ist, ist die Temperatur des verbrannten Gases
und damit die NOx-Emission
wesentlich niedriger als diejenige der herkömmlichen Funkenzündungsmaschine
auf der Grundlage einer sich ausbreitenden Flammenfront und der
Dieselmaschine auf der Grundlage einer verbundenen Diffusionsflamme.
Sowohl bei Funkenzündungs-
als auch bei Dieselmaschinen ist die Temperatur des verbrannten
Gases innerhalb der Mischung hochgradig heterogen, wobei eine sehr
hohe lokale Temperatur hohe NOx-Emissionen
erzeugt.
-
Maschinen,
die mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung arbeiten,
wurden bei Zweitakt-Benzinmaschinen unter Verwendung eines herkömmlichen
Kompressionsverhältnisses
erfolgreich demonstriert. Man vermutet, dass der hohe Anteil an verbrannten
Gasen, der von dem vorherigen Zyklus übrig bleibt, d.h. der Inhalt
der Rückstände, in
der Brennkammer der Zweitaktmaschine, für ein Bereitstellen der hohen
Temperatur der Mischung verantwortlich ist, welche für das Fördern einer
Selbstzündung
in einer hochgradig verdünnten
Mischung notwendig ist. Bei Viertaktmaschinen mit herkömmlichen Ventilmitteln
ist der Inhalt der Rückstände niedrig
und eine gesteuerte Selbstzündung
ist bei einer Teillast schwierig zu erreichen. Bekannte Verfahren
zur Herbeiführung
einer gesteuerten Selbstzündung
bei einer Teillast umfassen: 1) eine Erwärmung der Ansaugluft, 2) ein
variables Kompressionsverhältnis, und
3) ein Vermischen von Benzin mit einem Kraftstoff, der größere Selbstzündungsbereiche
als Benzin aufweist. Bei all den voranstehenden Verfahren ist der
Bereich von Maschinendrehzahlen und Lasten, bei welchem eine gesteuerte
Selbstzündungsverbrennung
erreicht werden kann, relativ begrenzt.
-
Maschinen,
die mit einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung arbeiten,
wurden bei Viertaktbenzinmaschinen unter Verwendung einer variablen Ventilbetätigung demonstriert,
um die notwendigen Bedingungen für
eine Selbstzündung
bei einer hochgradig verdünnten
Mischung zu erhalten. Es wurden verschiedene Kraftstoffzufuhrsteuerungen,
die geteilte und einteilige Injektionen umfassen, zur Verwendung
in Verbindung mit Ventilsteuerungsstrategien vorgeschlagen, um eine
stabile Selbstzündungsverbrennung über eine
Vielzahl von Maschinenlastzuständen
aufrecht zu erhalten.
-
In
der
US-Patentanmeldung Nr. 10/899,457 , die
demselben Rechtsinhaber gehört,
ist eine beispielhafte Kraftstoffinjektions- und Ventilstrategie
für eine
stabile, erweiterte gesteuerte Selbstzündung offenbart. Darin wird
während
eines Betriebs mit einer niedrigen Teillast eine erste Injektion
eines festen Betrags an Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappungsperiode
von einer zweiten Kraftstoffinjektion während des anschließenden Verdichtungstakts
gefolgt. Der Injektionszeitpunkt für die erste Injektion wird
kontinuierlich verzögert
und der Injektionszeitpunkt für
die zweite Injektion wird kontinuierlich vorverlegt, wenn die Maschinenlast
ansteigt. Während eines
Betriebs mit einer mittleren Teillast unterstützt eine erste Injektion von
Kraftstoff während
der negativen Ventilüberlap pungsperiode
unmittelbar gefolgt von einer zweiten Injektion von Kraftstoff während des
anschließenden
Ansaugtakts eine Selbstzündung.
Eine optimale Trennung der zwei Injektionen liegt bei etwa 30 bis
60 Grad Kurbelwinkel. Die Injektionszeitpunkte der beiden Injektionen
verzögern
sich kontinuierlich, wenn die Maschinenlast ansteigt. Und während eines
Betriebs mit einer hohen Teillast unterstützt eine einzige Kraftstoffinjektion
während
des Ansaugtakts eine Selbstzündung.
Der Injektionszeitpunkt verzögert
sich, wenn die Maschinenlast ansteigt.
-
Ein
Betrieb mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist die bevorzugte Betriebsart
von einer niedrigen Last bis zu hohen Teillasten für die beste
Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Wenn jedoch die Maschinenlast oder
die Kraftstoffzufuhrrate ansteigt, steigt die Maschinenauslass-NOx-Emission
auch an. Bis zu einer gewissen Maschinenlast kann der NOx-Emissionspegel
unter einem Grenzwert gehalten werden. Die Effizienz der NOx-Nachbehandlungsumwandlung
verringert sich drastisch, wenn eine herkömmliche Dreiwege-Nachbehandlungseinrichtung
bei einem mageren Maschinenbetrieb verwendet wird. Es wird daher
an irgendeinem Punkt, wenn die Last ansteigt, ein Schalter von einem
mageren zu einem stöchiometrischen
Maschinenbetrieb benötigt,
so dass die herkömmliche
Dreiwege-Nachbehandlungseinrichtung für eine effektive NOx-Emissionssteuerung
verwendet werden kann.
-
Eine
weitere Ausdehnung der Betriebsgrenze bei einer mittleren Last einer
Benzindirekteinspritz-Brennkraftmaschine mit gesteuerter Selbstzündung, die
zur Verwendung eines herkömmlichen Dreiwege-Nachbehandlungssystems
als einer Emissionssteuerungseinrichtung in der Lage ist, kann durch
ein Verwenden eines Kraftstoffinjektors mit der Fähigkeit
zu einer Mehrfachinjektion und einer Zündkerze erreicht werden. Eine
erste Kraftstoffinjektion tritt zu einem frühen Zeitpunkt während des
Ansaugtakts auf, um eine magere Luft-Kraftstoffmischung in der gesamten
Brennkammer nahe am Ende des Verdichtungstakts zu bilden. Eine zweite
Kraftstoffinjektion tritt entweder in dem späteren Teil des Ansaugtakts
oder in dem Verdichtungstakt auf, um eine geschichtete Luft-Kraftstoffmischung
mit einer zündbaren
Mischung in der Nähe
der Zündkerze
zu erzeugen. Die Zündkerze
wird verwendet, um die zündbare Mischung
zu zünden
und ihr Zeitverhalten beeinflusst das Phasenverhalten der Verbrennung
stark. Die Funkenzündungsverbrennung
arbeitet als eine Zündquelle,
um die Selbstzündung
der umgebenden mageren Mischung auszulösen, um bei einem Zielkurbelwinkel
nach TDC des Verdichtungstakts zu brennen. Auf diese Weise wird
ein Mischbetriebsartverbrennungsprozess realisiert, der aus zwei
getrennten, jedoch verwandten Prozessen besteht. Ferner wird die
Maschine bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
einer externen AGR-Verdünnung
betrieben, sodass eine herkömmliche
Nachbehandlungseinrichtung für
eine Maschinenauslassemissionssteuerung ausreichend ist. Die externe
AGR-Verdünnung
wirkt auch als ein effektiver Verbrennungsratensteuerungsparameter
während
der Selbstzündungsverbrennungsphase.
Die Hochlastgrenze einer Benzindirekteinspritz-Brennkraftmaschine
mit gesteuerter Selbstzündung
wird um mehr als 10 % erweitert, wobei eine maximale Druckanstiegsrate
oder eine Druckoszillationsamplitude akzeptabel bleibt.
-
Während die
voranstehend skizzierten Fortschritte Fähigkeiten einer gesteuerten
Selbstzündung
bei stationären
Zuständen
erfolgreich demonstriert haben, können schnelle Lastwechsel oder Übergänge unerwünschte Verbrennungsergebnisse einbringen.
Die ebenfalls anhängige
US-Patentanmeldung Nr. ...(Anwaltsaktenzeichen GP-306189), die demselben
Rechtsinhaber gehört,
beschreibt ein System und ein Verfahren für eine robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung
bei Lastübergängen von
einer niedrigen Last zu einer hohen Teillast. Für Maschinenbetriebe mit einem
mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis
ohne eine externe AGR ist eine Optimalwertsteuerung (feed forward
control) mit Nachschlagetabellen und Ratenbegrenzern ausreichend, um
sicherzustellen, dass keine Fehlzündung und Teilverbrennung bei Übergangen
von einer niedrigen Last zu einer hohen Teillast (und umgekehrt)
auftritt. Lastübergänge zwischen
einer hohen Teillast und einer mittleren Last jedoch stellen auch
weiterhin Herausforderungen bezüglich
einer Fehlzündung
oder Teilverbrennungen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine robuste Steuerung einer
Benzindirekteinspritzung mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung bei einem
Lastübergang
zwischen einer hohen Teillast und einer mittleren Last. Dieser Übergang schließt einen
Wechsel der Verbrennungsbetriebsart zwischen einer gesteuerten Selbstzündung mit
einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (CAI/Lean) und einer
CAI mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (CAI/Stöch.) ein.
Das Verfahren ist in der Lage, den Übergang von Maschinenbetrieben
zwischen einem mageren und einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine NOx-Emissionssteuerung
und zwischen einem geöffneten
und einem geschlossenen AGR-Ventil für eine Klopfsteuerung zu handhaben.
Durch eine Verwendung einer Kombination aus einer Optimalwertsteuerung
(feed forward control) mit Nachschlagetabellen, die eine Kraftstoffzufuhrrate
und einen Zeitpunkt einer Kraftstoffinjektion, eine variable Ventilbetätigung, Zündfunken,
Drossel- und AGR-Ventilstellungen umfassen, in Verbindung mit einer
Regelung (feedback control) unter Verwendung einer NVO und einer AGR-Ventilstellung,
ist die Selbstzündungsverbrennung
bei Lastübergängen mit
der vorliegenden Erfindung ohne eine Fehlzündung und Teilverbrennungen immer
stabil.
-
Eine
Optimalwertsteuerung kann bereitgestellt sein, mit welcher Eingänge an die
Maschine, die einen Zündfunkenzeitpunkt,
einen Kraftstoffinjektionszeitpunkt und einen Ventilzeitpunkt umfassen, kontinuierlich
gleich den stationären
Eingängen
gesetzt werden, die der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate entsprechen.
Vorkalibrierte stationäre
Eingänge
sind in Nachschlagetabellen gespeichert und Eingänge an die Maschine werden
durch ein Interpolieren von Werten stationärer Eingänge in den Nachschlagetabellen
auf der Grundlage der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate ermittelt.
Ratenbegrenzer werden verwendet, um verschiedene Dynamiken in dem
System zu kompensieren, beispielsweise durch ein Steuern der Raten
von Luft- und Kraftstofflieferung, um sich mit den gewünschten Übergängen zu
synchronisieren.
-
Eine
Regelung kann vorgesehen sein, um die Ausgänge der Optimalwertsteuerung
für eine
genauere Übereinstimmung
mit den gewünschten
Eingangseinstellungen für
eine optimale Leistungsfähigkeit
nachzustellen.
-
Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der
nachfolgenden Beschreibung gewisser spezieller Ausführungsformen der
Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden
werden.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Einzylinder-Benzindirekteinspritz-Viertaktbrennkraftmaschine,
die erfindungsgemäß betrieben
werden kann;
-
2 ist
ein Graph eines Ventilhubs über
einem Kurbelwinkel für
das Phasenverhalten von Auslass- und Einlass ventilen einer Viertaktbrennkraftmaschine,
die gemäß einer
beispielhaften Steuerung für eine
gesteuerte Selbstzündung
bei verschiedenen Lasten unter Verwendung einer zweistufigen variablen
Ventilbetätigung
mit einer dualen gleichen Nockenphasenverstellung arbeitet;
-
3A ist
ein Graph von typischen Einlass- und Auslassventilereignissen über einem
Kurbelwinkel mit beispielhaften Injektionsstrategien für eine gesteuerte
Selbstzündung
für einen
Maschinenbetrieb mit niedrigen, mittleren bzw. hohen Teillasten;
-
3B ist
ein Graph eines typischen Zylinderinnendruckverlaufs über einem
Kurbelwinkel für eine
beispielhafte Ventilstrategie zur Abgasrekompression bei einer gesteuerten
Selbstzündung;
-
4 ist
ein Graph einer beispielhaften Gesamtbetriebsstrategie über einer
Maschinenlast für Auslass-
und Einlassventile, eine Kraftstoffinjektion und eine Betriebsart
für eine
Einzylinder-Viertaktbrennkraftmaschine, die gemäß beispielhaften Steuerungen
für eine
gesteuerte Selbstzündung
unter Verwendung eines zweistufigen variablen Ventilbetätigungssystems
mit einer dualen Nockenphasenverstellung arbeitet;
-
5 ist
eine Diagrammansicht eines beispielhaften Controllers, mit welchem
eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
bei verschiedenen Lastübergängen gemäß der vorliegenden
Erfindung aufrechterhalten wird;
-
6 ist
ein Graph, der die genaue Struktur der in der Optimalwertsteuerung
verwendeten Nachschlagetabelle zeigt;
-
7 ist
ein Diagramm von Steuerungseingängen
an einen Maschinencontroller bei vier diskreten Kraftstoffzufuhrratenpunkten
von 11 bis 14 mg/Zyklus bei einem stationären Betrieb;
-
8 ist
ein Diagramm, das 16 Testfälle
von Übergängen von
einem CAI/Lean- zu einem CAI/Stöch.-Betrieb
und umgekehrt zusammenfasst;
-
9–11 sind
Graphen verschiedener Befehlseingänge für den Fall 1 von 8;
-
12A und B sind Graphen von Befehlseingängen von
NVO und AGR während
des Lastübergangs
von Fall 1;
-
13A und B sind Graphen eines prozentualen
Ansang-O2 und eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über Maschinenzyklen,
wobei eine Regelung in Betrieb ist;
-
14A und B sind Graphen eines gemessenen
IMEP und einer Abgastemperatur über
Maschinenzyklen für
den Fall 1;
-
15A und B sind Graphen einer gemessenen
Spitzendruckstelle (LPP) und einer maximalen Druckanstiegsrate über Maschinenzyklen
für den
Fall 1;
-
16 ist
ein zusammengesetzter Graph des in 9–15 gezeichneten
Falles 1;
-
17–21 sind
Graphen ähnlich 16,
die aber die Ergebnisse der Fälle
2–6 zeigen;
-
22A und B sind zusammengesetzte Graphen
eines gemessenen prozentualen Ansang-O2 und
eines Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
für die
Fälle 1–6;
-
23 ist
ein zusammengesetzter Graph eines gemessenen IMEP über Maschinenzyklen
für die Fälle 1–6;
-
24A und B sind Graphen eines LLP und einer
maximalen Druckanstiegsrate über
Maschinenzyklen für
die Fälle
1–6;
-
25 ist
ein zusammengesetzter Graph von Fall 7, der die verschiedenen Maschineneingänge zeigt;
-
26 ist
ein zusammengesetzter Graph von Fall 8, der die verschiedenen Maschineneingänge zeigt;
-
27A und B sind Graphen eines gemessenen
prozentualen Ansaug-O2 und eines Abgas-Luft-Kraftstoffverhältnisses
für die
Fälle 1,
6, 7 und 8;
-
28A und B sind Graphen einer tatsächlichen
NVO und tatsächlicher
AGR-Ventilstellungen für
die Fälle
1, 6, 7 und 8;
-
29 ist
ein zusammengesetzter Graph eines gemessenen IMEP über Maschinenzyklen
für die Fälle 1, 6,
7 und 8;
-
30A und B sind Graphen eines gemessenen
LPP und einer maximalen Druckanstiegsrate für die Fälle 1, 6, 7 und 8;
-
31–36 sind
zusammengesetzte Graphen der Maschineneingänge für die Fälle 9–14;
-
37A und B sind Graphen eines gemessenen
prozentualen Ansaug-O2 und eines gemessenen Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
für die
Fälle 9–14;
-
38 ist
ein zusammengesetzter Graph eines gemessenen IMEP über Maschinenzyklen
für die Fälle 9–14;
-
39A und B sind Graphen eines gemessenen
LPP und einer maximalen Druckanstiegsrate für die Fälle 9–14;
-
40 und 41 sind
zusammengesetzte Graphen der Maschineneingänge für die Fälle 15 bzw. 16;
-
42A und B sind Graphen eines gemessenen
prozentualen Ansaug-O2 und eines gemessenen Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
für die
Fälle 9,
14, 15 und 16;
-
43A und B sind Graphen einer tatsächlichen
NVO und einer tatsächlichen
AGR-Ventilstellung, jeweils für
die Fälle
9, 14, 15 und 16;
-
44 ist
ein zusammengesetzter Graph eines gemessenen IMEP über Maschinenzyklen
für die Fälle 9, 14,
15 und 16; und
-
45A und B sind Graphen eines gemessenen
LPP und einer maximalen Druckanstiegsrate für die Fälle 9, 14, 15 und 16.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Der
Einfachheit halber wird die nachfolgende Beschreibung die vorliegende
Erfindung bei ihrer Anwendung auf eine Einzylinder-Benzindirekteinspritz-Viertaktbrennkraftmaschine
behandeln, obwohl es festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung
gleichermaßen
auf eine Mehrzylinder-Benzindirekteinspritz-Viertaktbrennkraftmaschine
anwendbar ist. Zur Implementierung der verschiedenen Steuerungen
und zur Sammlung der verschiedenen Daten, die hierin umfasst sind,
wurde eine Einzylinder-Viertaktbrennkraftmaschine
mit 0,55 Liter Hubraum verwendet. Sofern es nicht speziell anderweitig
erörtert wird,
wird angenommen, dass alle derartigen Implementierungen und Sammlungen
unter Standardbedingungen ausgeführt
wurden, wie von einem Fachmann verstanden wird. Die vorliegende
Erfindung wird bei ihrer Anwendung auf eine Maschine mit zwei Ventilen
pro Zylinder (ein Einlass- und ein Auslassventil) beschrieben, obwohl
es festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf
eine Maschine mit mehreren Ventilen pro Zylinder angewendet werden
kann. Und obwohl die vorliegende Erfindung auf eine beliebige variable Ventilbetätigungsstrategie
(VVA-Strategie) angewendet werden kann, welche entweder ein vollständig flexibles
elektrohydraulisches oder ein elektromechanisches System verwendet,
basiert das nachfolgend zur Darstellung unserer Steuerungsstrategie
verwendete Beispiel auf einem zweistufigen VVA-System mit einem
dualen Nockenphasenversteller.
-
Zuerst
auf 1 der Zeichnungen genau Bezug nehmend, zeigt Bezugszeichen 10 allgemein eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Einzylinder-Direkteinspritz-Viertaktbrennkraftmaschine.
In der Figur ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 beweglich
und definiert mit dem Zylinder 12 eine Brennkammer 13 mit
einem variable Volumen. Ein Einlassdurchgang 14 stellt
Luft in der Brennkammer 13 zur Verfügung. Eine Luftströmung in
die Brennkammer 13 wird durch ein Einlassventil 15 gesteuert.
Verbrannte Gase können
aus der Brennkammer 13 über
einen Auslassdurchgang 16 strömen, der durch ein Auslassventil 17 gesteuert
wird.
-
Die
beispielhafte Maschine 10 weist einen hydraulisch gesteuerten
Ventiltrieb mit einem elektronischen Controller 18 auf,
der programmierbar ist und das Öffnen
und Schließen
sowohl des Einlassventils 15 als auch des Auslassventils 17 hydraulisch
steuert. Der elektronische Controller 18 wird die Bewegung
des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17 unter
Berücksichtigung
der Stellungen der Einlass- und der Auslassventile 15 und 17,
wie sie durch zwei Stellungsmessfühler 19 und 20 gemessen
werden, steuern. Der Controller 18 wird sich auch auf die
Winkelstellung der Maschine beziehen, wie sie durch einen Drehsensor 21,
der mit der Kurbelwelle 22 der Maschine verbunden ist,
angezeigt wird. Die Kurbelwelle 22 ist durch eine Pleuelstange 23 mit
dem Kolben 11 verbunden, der sich in dem Zylinder 12 hin und
her bewegt. Ein Benzindirektinjektor 24, der von dem elektronischen
Controller 18 gesteuert wird, wird zum Injizieren von Kraftstoff
direkt in die Brennkammer 13 verwendet. Die verschiedenen,
dem Controller 18 zugeschriebenen Funktionen, können gleichermaßen durch
mehrere separate, aber koordinierte Controller ausgeführt werden,
die an die verschiedenen Aufgaben angepasst sind.
-
Eine
Zündkerze 25,
die auch von dem elektronischen Controller 18 gesteuert
wird, wird verwendet, um die Zündzeitpunktssteuerung
der Maschine bei gewissen Bedingungen (z.B. bei einem Kaltstart oder
nahe bei der Niederlastbetriebsgrenze) zu verbessern. Es hat sich
auch als vorzuziehend herausgestellt, nahe bei der Betriebsgrenze
für eine
hohe Teillast bei einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung und während Betriebszuständen mit
einer hohen Drehzahl/Last mit einem gedrosselten oder nicht gedrosselten
SI-Betrieb auf eine Funkenzündung
zu vertrauen.
-
2 stellt
die Steuerungsbewegungen des Einlassventils 15 und des
Auslassventils 17 dar, wobei die Ventilhubprofile als eine
Funktion des Kurbelwinkels für
das Auslassventil 17 und das Einlassventil 15 der
Viertakt-Brennkraftmaschine gezeigt sind, die mit beispielhaften
Steuerungen für
eine gesteuerte Selbstzündung
(HCCI-Verbrennung) arbeitet.
-
Eine
Bewegung des Auslassventils ist durch die durchgezogenen Linien 17 und
eine Bewegung des Einlassventils ist durch die gestrichelten Linien 15 angezeigt.
Das Auslassventil 17 schließt früh bei einem variablen Winkel
vor dem oberen Totpunkt (TDC 360 Grad) des Auslasses/Einlasses und
das Einlassventil 15 öffnet
spät, vorzugsweise
bei einem gleichen Winkel nach TDC. Die Zwischenperiode, wenn beide
Ventile geschlossen sind, wird als eine negative Ventilüberlappung
bezeichnet (NVO von negative valve overlap). Die paarweisen Auslass/Einlassventilprofile 17, 15,
die von dem am nächsten
zusammenliegenden Paar zu dem am weitesten auseinanderliegenden
Paar reichen, stellen eine ansteigende NVO bei ab nehmenden Maschinenlasten (NMEP)
von der Reihe nach 350, 285, 215 und 144 kPa dar. Diese Ventilbewegung
kann unter Verwendung eines dualen Nockenphasenverstellersystems oder
durch beliebige andere Einrichtungen, die derartige Ventilprofile
erzeugen können,
erreicht werden.
-
Mit
dieser Strategie wird die negative Ventilüberlappung (NVO) durch ein
Phasenverstellen sowohl der Einlass- als auch der Auslasshubprofile gleichzeitig
variiert. Es ist experimentell bestätigt, dass für eine Beibehaltung
einer optimalen Selbstzündungsverbrennung über den
Lastbereich die erforderliche negative Ventilüberlappungsperiode mit einer
abnehmenden Maschinenlast linear ansteigt, wobei diese Beziehung
in 2 dargestellt ist.
-
3A zeigt
beispielhafte Injektionsstrategien bei einem Maschinenbetrieb mit
niedrigen, mittleren bzw. hohen Teillasten. In 3A sind
auch beispielhafte Einlass- und Auslassventilereignisse gezeigt
und in 3B ist ein Zylinderinnendruckverlauf gemäß derartiger
beispielhafter Ventilereignisse gezeigt.
-
Während eines
Betriebs mit einer niedrigen Teillast wird der Kraftstoff während eines
einzelnen Maschinenzyklus zweimal injiziert, wie durch die beabstandeten
Balken 27, 28 angezeigt ist. Die erste Injektion 27 zwischen
etwa 300 und 350 Grad ATDC-Verbrennung sprüht einen festen Betrag an Benzin
oder einem gleichwertigen Kraftstoff in das Hochtemperatur- und
Hochdruckabgas, das während der
negativen Ventilüberlappungsperiode
in dem Zylinder eingeschlossen ist. Der Injektionszeitpunkt für die erste
Injektion wird auf eine kontinuierliche Weise verzögert, wenn
die Maschinenlast ansteigt. Der Kraftstoff wird teilweise oxidiert
und in eine reaktivere chemische Spezies umgewandelt und Energie
wird freigesetzt. Die Menge der reaktiveren chemischen Spezies und
der Energie vari iert mit der Kraftstoffmenge und dem Zeitpunkt,
an dem der Kraftstoff bei der ersten Injektion injiziert wird, und
der negativen Ventilüberlappungsperiode
(NVO- Periode).
-
Wie
in 3B gezeigt ist, werden eingeschlossene Gase in
der NVO-Periode
gegen Ende des Ausstoßtakts
zwischen 300 und 360 Grad ATDC zuerst komprimiert, nachdem sich
das Auslassventil schließt.
Die komprimierte Kraftstoff- und Abgasmischung wird dann während des
frühen
Teils des Ansaugtakts ausgedehnt, wenn sowohl das Einlassventil
als auch das Auslassventil geschlossen sind. Der Zylinderdruck fällt auf
etwa den Umgebungsdruck, wenn sich das Einlassventil öffnet, um
frische Luft in die Brennkammer einzuleiten. Während des Verdichtungshubs
wird der Kraftstoffinjektor bei 28 für eine zweite Injektion von
Benzin in die Brennkammer zwischen 60 und 20 Grad BTDC-Verbrennung
wieder aktiviert. Dieser Injektionszeitpunkt ist gewählt, um einen
rauchfreien Betrieb sicherzustellen und wird entweder durch den
Injektorsprühkonuswinkel
oder den Betrag an injiziertem Kraftstoff beeinflusst.
-
Der
Injektionszeitpunkt der zweiten Injektion wird auf eine kontinuierliche
Weise vorverstellt, wenn die Maschinenlast ansteigt. Aufgrund einer
höheren Beladungstemperatur
und -dichte im Zylinderinneren wird eine Durchdringung und Verteilung
des eingesprühten
Kraftstoffs unterdrückt.
In der Brennkammer wird eine begrenzte Region mit einer fetten Mischung ausgebildet.
Die durch eine Benzinreformierung nach der ersten Kraftstoffinjektion
gebildete Spezies arbeitet mit der begrenzten fetten Mischung zusammen, welche
durch die zweite Kraftstoffinjektion gebildet wurde, um die Selbstzündung von
Benzin bei einem relativ niedrigen Kompressionsverhältnis ohne
irgendeine Hilfe eines Zündfunkens
zu erreichen, verglichen mit einem relativ hohen Kompressionsverhältnis, das
bei einer Dieselmaschine verwendet wird.
-
Während eines
Betriebs mit einer mittleren Teillast wird der Kraftstoffinjektor
ebenfalls zweimal während
eines einzelnen Maschinenzyklus aktiviert, wie durch die benachbarten
Balken 29, 30 gezeigt ist. Die erste Injektion 29 sprüht Benzin
in die Brennkammer zwischen etwa 300 und 360 Grad ATDC-Verbrennung, ähnlich zu
der, die bei dem Betrieb mit einer niedrigen Teillast verwendet
wurde. Die zweite Injektion 30 jedoch startet etwa 30 bis
60 Grad nach dem Ende der ersten Injektion. Beide Injektionen werden
während
der negativen Ventilüberlappungsperiode
und zu einem frühen
Zeitpunkt während
des Ansaugtakts durchgeführt.
Die Injektionszeitpunkte beider Injektionen werden auf eine kontinuierliche Weise
verzögert,
wenn die Maschinenlast ansteigt. Es ist das Ziel, eine geteilte
Injektion zur Steuerung eines Reformierens von Benzin und damit
des Selbstzündungsprozesses
zu verwenden. Sowohl für einen
Betrieb bei einer niedrigen als auch bei einer mittleren Teillast
sind 1–3
mg Kraftstoff für
die erste Injektion 29 ausreichend. Der verbleibende Kraftstoff wird
während
der zweiten Injektion 30 injiziert.
-
Während eines
Betriebs mit einer hohen Teillast wird der Kraftstoffinjektor nur
einmal während eines
einzelnen Maschinenzyklus aktiviert, wie durch den Balken 31 gezeigt
ist. Der Injektionszeitpunkt variiert zwischen 340 und 490 Grad
ATDC-Verbrennung in Abhängigkeit
von der Maschinenlast. Der Injektionszeitpunkt wird verzögert, wenn
die Maschinenlast ansteigt.
-
Ein Übergang
von einer Injektionsstrategie zu einer anderen während eines Lastwechsels wird geregelt,
um sowohl die Leistungsfähigkeit
der Maschine als auch die Emissionen zu begünstigen. Beispielsweise ist
bei einem Betrieb mit einer niedrigen Teillast eine geteilte Injektion – mit der
ersten Injektion 27 während
der negativen Ventilüberlappungsperiode
und der zweiten Injektion 28 während des Verdichtungstakts – die einzige
Injektionsstrategie, die sich als geeignet erwiesen hat, eine stabile
gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
zu erzeugen. Der Injektionszeitpunkt für die zweite Injektion 28 wird
mit ansteigender Maschinenlast kontinuierlich vorverstellt, um eine
Verteilung von Kraftstoff innerhalb des Zylinderinhalts zu fördern und
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
der begrenzten Mischung in einem akzeptablen Bereich zu halten,
um übermäßige NOx-Emissionen und Rauch
zu vermeiden.
-
Sogar
mit dem vorverstellten Injektionszeitpunkt jedoch kann eine Ausbildung
von Stickstoffoxiden (NOx) während
eines Betriebs bei einer mittleren Teillast immer noch auf nicht
akzeptable Pegel steigen. Daher wird bei einer mittleren Teillast
der Injektionszeitpunkt der zweiten Kraftstoffinjektion 30 von dem
Verdichtungstakt in den Ansaugtakt verlegt, wie in 3A gezeigt
ist. Es ist experimentell bestätigt, dass
beide Strategien zu einer ähnlichen
Maschinenleistungsfähigkeit
führen.
Obwohl die NOx-Emission mit der zweiten Kraftstoffinjektion 30 während des Ansaugtakts
wesentlich verringert werden kann, steigt die HC-Emission aufgrund
eines Anstiegs des in Spalten gefangenen Kraftstoffs an, der einer
Verbrennung entgeht. Die exakte Last, bei der der Übergang
stattfindet, wird durch einen Emissionskompromiss ermittelt.
-
4 zeigt
beispielhafte Ventilöffnungs-
und Ventilschließzeitpunkte
als eine Funktion einer Maschinenlast für die Auslass- und Einlassventile
einer Einzylinder-Viertaktbrennkraftmaschine, die mit einer konstanten
Drehzahl arbeitet. Die Ventilsteuerung stellt eine Abgasrekompression
unter Verwendung eines zweistufigen VVA-Systems mit dualen Nockenphasenverstellern
beispielhaft dar. Öffnungsvorgänge des
Auslassventils über
den Lastbereich (NMEP) sind durch eine durchgezogene Linie 33 und
Schließvorgänge des
Auslassventils durch eine gestrichelte Linie 34 ge zeigt. Öffnungsvorgänge des
Einlassventils sind durch eine durchgezogene Linie 35 und Schließvorgänge des
Einlassventils durch eine gestrichelte Linie 36 gezeigt.
Ebenfalls in 4 sind die Injektionsstrategie
(geteilt gegenüber
einer) und verschiedene Verbrennungsbetriebsarten als eine Funktion
einer Maschinenlast bei einer beispielhaften konstanten Drehzahl
gezeigt.
-
Insbesondere
wird die Maschine in der gesteuerten Selbstzündungsverbrennungsbetriebsart mit
einer mageren Luft/Kraftstoff-Mischung (HCCI/Lean) unter 320 kPa
NMEP betrieben. Während dieser
Verbrennungsbetriebsart steigt der NOx-Emissionsindex mit steigender
Maschinenlast an. Bei 320 kPa NMEP beträgt der NOx-Emissionsindex etwa
1 g/kg Kraftstoff. Entsprechend wird die Maschine zwischen 320 und
400 kPa NMEP in der gesteuerten Selbstzündungsverbrennungsbetriebsart
mit einem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
(HCCI/Stöch.)
betrieben, um die Verwendung einer herkömmlichen Nachbehandlungseinrichtung
zur NOx-Steuerung zu ermöglichen.
Eine geteilte Injektion kann bei dem Abschnitt mit höherer Last
dieser Betriebsart verwendet werden, um die maximale Zylinderdruckanstiegsrate
zu begrenzen.
-
Zwischen
400 und 600 kPa NMEP wird die Maschine in einer nicht gedrosselten
stöchiometrischen
Betriebsart mit Funkenzündung
betrieben, wobei eine Last durch VVA-Strategien, wie zum Beispiel ein
frühes
Schließen
des Einlassventils (SI-NTLC/Stöch.,
wie gezeigt) oder ein spätes Schließen des
Einlassventils, gesteuert wird. Über 600
kPa NMEP wird die Maschine in einer herkömmlichen Betriebsart mit Funkenzündung und
gedrosselter Verbrennung mit einer stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Mischung (SI-gedrosselt/Stöch) betrieben,
bis die volle Last erreicht ist. Eine geteilte Injektion kann in
jedem der letztgenannten zwei Betriebsar ten verwendet werden, um
die maximale Zylinderdruckanstiegsrate zu begrenzen.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass die Kalibrierungswerte in 4 im
Wesentlichen die Werte für 1000
U/min in der Nachschlagetabelle von 6 sind,
die nachfolgend erörtert
wird. Für
verschiedene Maschinendrehzahlen werden Betriebsstrategien bei der
Kraftstoffinjektion, dem Ventilzeitpunkt und der Verbrennung experimentell
beobachtet, die ähnlich den
in 4 gezeigten sind, wobei Unterschiede nur bei den
genauen NMEP-Werten
auftreten, an denen verschiedene Übergänge stattfinden sollen. Allgemein
nehmen die in 4 angezeigten NMEP-Werte für die verschiedenen Übergänge mit
steigender Maschinendrehzahl ab. Insbesondere nimmt die Hochlastbetriebsgrenze
mit steigender Maschinendrehzahl aufgrund eines verringerten Wärmeverlusts
der Maschine ab. Daher nimmt auch der Bereich einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung
mit steigender Maschinendrehzahl ab.
-
Bei
einer Maschine mit gesteuerter Selbstzündung wird ein Verbrennungsphasenverhalten durch
eine Beladungstemperatur stark beeinflusst, z.B. stellen höhere Beladungstemperaturen
ein Verbrennungsphasenverhalten vor und können zu einem Klopfen führen, während niedrigere
Beladungstemperaturen das Verbrennungsphasenverhalten verzögern und
zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führen können. Ein Übergang von Maschinenbetrieben
zwischen einem mageren und einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur NOx-Emissionssteuerung
und zwischen geöffneten und
geschlossenen AGR- und Drosselventilen für eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und
Klopfsteuerung wird erfindungsgemäß angesprochen. Durch eine Verwendung
einer Kombination aus einer Optimalwertsteuerung mit Nachschlagetabellen
und Ratenbegrenzern, die einen Kraftstoffinjektionszeitpunkt (FI),
eine variable Ventilbetätigung,
ei nen Zündfunkenzeitpunkt
(SI), Drosselventil- und AGR-Ventilstellungen in Verbindung mit
einer Regelung unter Verwendung einer negativen Ventilüberlappung
(NVO) und einer AGR-Ventilstellung umfassen, ist die gesteuerte
Selbstzündungsverbrennung
erfindungsgemäß während Lastübergängen ohne
Fehlzündungen oder
Teilverbrennungen robust.
-
5 zeigt
ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Maschinencontrollers 40, mit
welchem eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung bei Lastübergängen mit
entweder einer konstanten oder einer variablen Maschinendrehzahl
erreicht wird. Der Controller 40 umfasst eine Optimalwertsteuerung 42 und
eine Regelung 44, die mit zugeordneten Komponenten einer
beispielhaften Benzindirekteinspritzmaschine 46 verbunden
sind.
-
Die
Optimalwertsteuerung 42 erreicht eine schnelle Systemantwort
und umfasst zwei Hauptelemente, nämlich Nachschlagetabellen und
Ratenbegrenzer. Auf der Grundlage der gewünschten Last und Maschinenbetriebsartenbedingungen
werden erforderliche Kraftstoffinjektionszeitpunkte (FI) und Impulsbreiten
(Kraftstoffzufuhrrate) 48, eine Ventilbetätigung (einschließlich einer
negativen Ventilüberlappung
(NVO)) 50, ein Zündfunkenzeitpunkt
(SI) 52, eine Drosselstellung 54 und eine AGR-Ventilstellung 56 aus
den Nachschlagetabellen 57 berechnet, um das Verbrennungsphasenverhalten
zu steuern. In Abhängigkeit
von den aktuellen Maschinenbetriebsbedingungen und einer Lastanforderung
des Fahrers werden auch variable Ratenbegrenzer 58, 60, 62, 64, 66 verwendet,
um verschiedene Dynamiken in dem System zu kompensieren, z.B. Luft- und Kraftstoff-Dynamiken,
wie nachfolgend genauer erörtert wird.
-
6 ist
ein Funktionsdiagramm einer Nachschlagetabelle, bei welcher zwei
Eingangsvariablen die Maschinendrehzahl 67 und die Kraftstoffzu fuhrrate 68 sind
und die Steuerungsausgangsvariablen 69 eine Kraftstoffinjektion,
eine Ventilbetätigung und
einen Zündfunkenzeitpunkt
umfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kraftstoffzufuhrrate
im Unterschied zu herkömmlicheren
SI-Maschinen nicht notwendigerweise proportional zu dem von einem Fahrer
angeforderten Drehmoment (oder einer Last, welche auf der Pedaleingabe
basiert) für
die vorgeschlagene Applikation ist. Aufgrund der komplexeren Natur
vieler möglicher
Verbrennungsbetriebsarten ist es nicht ungewöhnlich, dass eine SIDI/HCCI-Maschine
tatsächlich
mehr Drehmoment bei einer etwas geringeren Kraftstoffzufuhrrate
erzeugt, wenn die Maschinendrehzahl ansteigt, und umgekehrt. Es
ist entscheidend, die korrekte Injektionsstrategie und die Kraftstoffzufuhrrate
für jede
Verbrennungsbetriebsart in Abhängigkeit
von dem angeforderten Drehmoment und dem Maschinenbetriebszustand
zu ermitteln, wie nachfolgend erörtert
wird. Es sollte daher verstanden sein, dass die in den nachfolgend
angezeigten Tests verwendeten verschiedenen Kraftstoffzufuhrraten nur
zur Demonstration der Lastübergangssteuerungsmethodik
bei variierenden Maschinenlasten gedacht sind. Die genaue Zuordnung
des von dem Fahrer angeforderten Maschinendrehmoments zu der benötigten Kraftstoffzufuhrrate
muss für
die Betriebszustände
eines jeden Maschinenmodells entwickelt werden.
-
Die
Effektivität
der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung der Testergebnisse
mit einem Lastübergang
zwischen 11 und 14 mg/Zyklus demonstriert. 7 zeigt
Steuerungseingänge
an den Maschinencontroller bei den vier diskreten Kraftstoffzufuhrratenpunkten
bei einem stationären
Betrieb. Es wurden sechzehn Testfälle durchgeführt, welche in 8 zusammengefasst
sind. Die Fälle
1 bis 8 sind für
Lastverringerungsübergänge von
14 auf 11 mg/Zyklus, auch als Tip-out (Pedal loslassen) bekannt.
Die Fälle
9 bis 16 sind für
Lastanstiegsübergänge von
11 auf 14 mg/Zyklus, auch als Tip-in (Pedalbetätigung) bekannt.
-
Bei 7 bis 45 und
insbesondere bei 8 bezeichnet ein Bezugszeichen 70 die
Lastverringerungsübergänge (tip-out)
und die Fälle
1–8 tragen
jeweilige Bezugszeichen 71–78. Lastanstiegsübergänge (tip-in) 80 umfassen
die Fälle
9–16 mit
jeweiligen Bezugszeichen 81–88. In 7 und
den nachfolgenden Figuren werden Buchstaben für Befehlseingänge und
andere gemessene Werte wie folgt verwendet: A – Kraftstoffzufuhrrate; A1 – erste Injektion,
A2 – zweite
Injektion; B – Maschinendrehzahl;
C1 – Ende
der ersten Injektion; C2 – Ende
der zweiten Injektion; D – SI;
E – NVO;
F – IMEP;
G – A/F; H – AGR-Ventilstellung;
I – Drosselstellung;
J – O2-Gehalt der Ansaugluft in Prozent; K – Abgastemperatur;
L – LPP
(Stelle des Spitzendrucks); und M – maximale Druckanstiegsrate.
-
Während eines
Tip-Out ist eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung für einen
Lastübergang von
einem stöchiometischen
(hohe Last) zu einem mageren (niedrige Last) Betrieb ziemlich robust.
Es zeigt sich keine Fehlzündung
oder Teilverbrennung, auch wenn die Regelung abgeschaltet ist. Im
Gegensatz dazu ist jedoch während
eines Tip-In bei einem Lastübergang
von einem mageren (niedrige Last) zu einem stöchiometrischen (hohe Last)
Betrieb die Regelung notwendig, oder Fehlzündungen und Teilverbrennungen
können
auftreten.
-
9–11 zeigen
Variationen von Befehlseingängen
der Kraftstoffinjektion und des Zündfunkenzeitpunkts während des
abnehmenden Lastübergangs
für den
Grundlinienfall 1. Insbesondere zeigt eine Linie 71A von 9 den
Kraftstoffinjektionsplan für 71 (Fall
1), den Übergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus mit 3 mg/s Kraftstoffänderungsrate. Für Kraftstoffzufuhrraten über 12 mg/Zyklus
wird eine geteilte Injektionsstrategie verwendet, welche nachher auf
eine Strategie mit einer Injektion umschaltet. Mit anderen Worten
ist der Lastübergang
in 1 Sekunde abgeschlossen.
-
10A und 10B zeigen
Details einer Kraftstoffinjektionsmassenverteilung während einer
geteilten und einer einzelnen Injektion bzw. deren jeweiligen Zeitpunkt.
Eine Linie 71A1 zeigt die erste oder einzige Kraftstoffinjektionsmasse,
während 71A2 die zweite
Kraftstoffinjektionsmasse bei geteilten Injektionen ist. Auf ähnliche
Weise zeigen Linien 71C1 und 71C2 das Ende einzelner
und geteilter Kraftstoffinjektionszeitpunkte.
-
11A, Linie 71D und 11B, Linie 71I zeigen Befehlseingänge für einen
Zündfunkenzeitpunkt
bzw. eine Drosselventilstellung. Lineare Interpolationen von Werten
der in 7 gezeigten Nachschlagetabelle bei den diskreten
Kraftstoffzufuhrratenpunkten sind klar angezeigt.
-
12A und 12B zeigen
Befehlseingänge für eine NVO-Linie 71E und
eine AGR-Ventilstellungslinie 71H während eines Lastübergangs.
Bei 14 mg/Zyklus sind sowohl die NVO als auch die AGR-Ventilstellung
leicht unterschiedlich von denjenigen, die in 7 bei
einem stationären
Betrieb vor den Übergangstests
angegeben sind. Dies ist das Ergebnis der Regelung, bei der sowohl
die NVO als auch die AGR-Ventilstellungen von Zyklus zu Zyklus variiert
werden, um sowohl die Ansaugsauerstoffkonzentration (13A, Linie 71J) als auch das
Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis
(13B, Linie 71G) zu steuern.
Die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
wird dann wiederholt. Aus 13A und 13B ist klar ersichtlich, dass sowohl die
gemessene Ansang-O2-Konzentration als auch
das gemessene Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich ihren in der Nachschlagetabelle
gezeigten entsprechenden stationären
Werten sind.
-
14A, Linie 71F zeigt das gemessene IMEP
für den
Fall 1 für
einen Lastübergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus mit 3 mg/s Kraftstoff- und 90 %/s Drosseländerungsrate.
Es ist zu sehen, dass die gesteuerte Selbst zündungsverbrennung während des gesamten
Lastübergangs
ohne eine Fehlzündung oder
eine Teilverbrennung robust ist. 14B,
Linie 71K zeigt die entsprechende gemessene Abgastemperatur.
Aus der Figur ist klar ersichtlich, dass die Zeit, welche zum Erreichen
eines stationären
Zustands nach dem Übergang
benötigt
wird, für
die Abgastemperatur viel länger
als für
den IMEP ist (Bitte die verschiedenen auf der Horizontalachse verwendeten
Skalen beachten).
-
15A, Linie 71L und 15B, Linie 71M zeigen eine gemessene
LPP bzw. eine gemessene maximale Druckanstiegsrate von Fall 1 für einen Lastübergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus mit 3 mg/s Kraftstoff- und 90 %/s Drosseländerungsrate.
Bemerkenswert ist, dass die maximale Druckanstiegsrate während des
gesamten Lastübergangs
immer unter der Schwelle von 800 kPa/Grad liegt, sodass kein hörbares Klopfen
beobachtet wird.
-
Alle
in 9–15 dargestellten
Ergebnisse sind, wie in 16 gezeigt
ist, für
den Fall 1 in einen zusammengesetzten Graph gezeichnet. Ähnliche
Zeichnungen für
die Fälle
2 bis 6 sind in 17–21 gezeigt.
Insbesondere zeigen die Fälle
1–4 die
Auswirkung der Drosseländerungsrate. Die
Auswirkung der Kraftstoffänderungsrate
wird unter Verwendung der Ergebnisse der Fälle 1, 4, 5 und 6 verglichen.
-
Durch
ein Vergleichen der in 9 bis 15 gezeigten
Ergebnisse gelangt man zu verschiedenen Beobachtungen. 22A und 22B zeigen
die gemessene Ansaugsauerstoffkonzentration (Linien 71J–76J)
bzw. das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Linien 71G–76G)
der Fälle
1 bis 6 für
einen Lastübergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus. Aus beiden Figuren ist klar ersichtlich,
dass die charakteristischen Übergangszeiten
für die
Ansaugsauerstoffkonzentration und das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis im
We sentlichen unempfindlich auf Drossel- und Kraftstoffänderungsraten
sind. Als ein Ergebnis ist der gemessene IMEP, wie in 23 (Linien 71F–76F)
gezeigt ist, nur eine Funktion des Kraftstoffeingangs und ist unempfindlich
für eine
Drosseländerungsrate.
Darüber
hinaus wurde bei allen sechs untersuchten Fällen während des Lastübergangs
keine Fehlzündung
oder Teilverbrennung beobachtet.
-
Die
Linien von 24A und 24B zeigen die
gemessene LPP (71L–76L)
bzw. die maximale Druckanstiegsrate (71M–76M)
der Fälle
1 bis 6 für
einen Lastübergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus. Aus 24B ist
klar ersichtlich, dass die maximale Druckanstiegsrate während der
Hauptverbrennung für
alle sechs untersuchten Fälle
unter dem Schwellenwert von 800 kPa/Grad gehalten wird.
-
Wie
voranstehend erwähnt,
werden sowohl die NVO als auch die AGR-Ventilstellung während Lastübergängen als Regelungseingänge verwendet. Die
Regelung ist bei den Fällen
7 und 8 abgeschaltet, um ihre Auswirkung auf die Selbstzündungsverbrennung
darzustellen. 25 zeigt die zusammengesetzte
Aufzeichnung der Testergebnisse für Fall 7, während 26 die
zusammengesetzte Aufzeichnung der Testergebnisse für Fall 8
zeigt, wobei in beiden Fällen
die Regelung ausgeschaltet ist.
-
27A und 27B zeigen
die gemessene Ansaugsauerstoffkonzentration (Linien 71J, 76J, 77J, 78J)
bzw. das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Linien 71G, 76G, 77G, 78G)
der Fälle
1, 6, 7 und 8 für
einen Lastübergang
von 14 auf 11 mg/Zyklus mit und ohne Regelung. Wieder bleiben die
charakteristischen Übergangszeiten
für die
Ansaugsauerstoffkonzentration und das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
oder ohne Regelung gleich. Kleine Unterschiede bei der Ansaugsauerstoffkonzentration
(kleiner als 1 %) und dem Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (kleiner
als 0,3) sind jedoch offensichtlich.
-
Die
erforderlichen Änderungen
bei der NVO und bei der AGR-Ventilstellung sind in 28A,
Linien 71E, 76E, 77E, 78E und 28B, Linien 71H, 76H, 77H, 78H gezeigt.
Obwohl die Unterschiede bei der Ansaugsauerstoffkonzentration und
dem Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis
nicht signifikant zu sein scheinen, ist der gemessene Variationskoeffizient (COV)
des IMEP (wie er durch die in 29 (Linien 71F, 76F, 77F, 78F)
durch die Zyklus-zu-Zyklus-Variation des IMEP offensichtlich ist)
bei einem Betriebszustand mit einer Last von 14 mg/Zyklus klar höher. Ferner
kann sowohl die gemessene LPP als auch die maximale Druckanstiegsrate
von den Werten der Nachschlagetabelle abweichen, wie in 30A (Linien 71L, 76L, 77L, 78L)
und 30B (Linien 71M, 76M, 77M, 78M)
gezeigt ist. Bemerkenswert ist, dass die Maschine bei diesem quasi
stationären
Arbeitspunkt aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf thermische Grenzzustände der
Maschine mit dem Laufen fortfahren kann, wenn die Regelung nicht
eingeschaltet ist.
-
Zusammengefasst
ist die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
bei Lastübergängen von
einer mittleren zu einer hohen Teillast ziemlich robust. Es gibt
keine Fehlzündung
oder Teilverbrennung, auch wenn die Regelung ausgeschaltet ist.
Es wurde jedoch beobachtet, dass es aufgrund der extremen Empfindlichkeit
der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung
auf kleinere Änderungen
bei den thermischen Grenzzuständen
der Maschine Schwierigkeiten beim Wiederholen eines Maschinenbetriebs
bei einer mittleren Last ohne die Unterstützung einer Regelung gibt.
-
31–36 zeigen
Testergebnisse der Fälle
9–14 (81–86)
für einen
Lastübergang
von 11 auf 14 mg/Zyklus. Die Auswirkung von Drosselände rungsraten
werden unter Verwendung der Fälle
9 bis 12 demonstriert, während
die Auswirkung von Kraftstoffänderungsraten
unter Verwendung der Fälle
9, 12, 13 und 14 untersucht werden. Ausgewählte Ergebnisse werden dargestellt,
um die Effektivität
der vorliegenden Erfindung darzustellen.
-
37A und 37B zeigen
die gemessene Ansaugsauerstoffkonzentration (Linien 81J–86J)
bzw. das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Linien 81G–86G)
der Fälle
9 bis 14 für
einen Lastübergang von
11 auf 14 mg/Zyklus. Im Gegensatz zu den Fällen 1–4 ist die Ansaugsauerstoffkonzentration
(J) empfindlich für
die Drosseländerungsraten
(I). Insbesondere führte
die langsamere Drosseländerungsrate
zu einem langsameren Ansprechen der Ansaugsauerstoffkonzentration
und die charakteristische Übergangszeit
wird länger
und gleicht sich der des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mehr an. Wenn dies
auftritt, zeigen die gemessenen IMEP-Werte einen glatten Übergang
bei Lastübergängen ohne
irgendeine Teilverbrennung, wie aus 38 (Linien 82F–85F) für die Fälle 10–13 ersichtlich
ist. Sowohl sprunghafte (Fall 14, Linie 86F) als auch 90
%/s- (Fall 9, Linie 81F) Drosseländerungsraten führen zu
einer Fehlanpassung zwischen der Ansaugsauerstoffkonzentration und
dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
und daher treten Teilverbrennungen auf. Darüber hinaus zeigen die beiden
Fälle 9
und 14 eine vorverstellte LPP und ein hörbares Klopfen bei Lastübergängen, wie
in 39A (Linien 81L–86L)
und 39B (Linien 81M–86M)
gezeigt ist.
-
40 und 41 zeigen
Testergebnisse der Fälle
15 (87) und 16 (88), wobei die Regelung für die Fälle 9 bzw.
14, bei der NVO (E) und der AGR (H)-Ventilstellung ausgeschaltet wurde.
-
42A und 42B zeigen
die gemessene Ansaugsauerstoffkonzentration (Linien 81J, 86J, 87J, 88J)
bzw. das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Li nien 81G, 86G, 87G, 88G)
der Fälle
9, 14, 15 und 16 für
einen Lastübergang
von 11 auf 14 mg/Zyklus mit und ohne eingeschalteter Regelung. Insbesondere zeigen
die Figuren, dass sowohl die Ansaugsauerstoffkonzentration (J) als
auch das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (G) nach einem Übergang
sich an einen quasi stationären
Wert annähern
können,
der sich ein wenig von den Werten aus der in 7 gegebenen
Nachschlagetabelle unterscheidet, wenn die Regelung nicht eingeschaltet
ist.
-
Obwohl
nur eine kleine Nachstellung sowohl bei der NVO (etwa 4 Grad, 43A) als auch bei der AGR-Ventilstellung
(etwa 0,7 %, 43B) erforderlich ist,
um beide Parameter auf ihre jeweiligen Nachschlagetabellenwerte
anzugleichen, zeigen die gemessenen IMEP-Werte nach einem Lastübergang mit
der eingeschalteten Regelung (Linien 81F, 86F) einen
deutlich verbesserten COV-Pegel als ohne (Linien 87F, 88F),
wie in 44 angezeigt ist.
-
Obwohl,
wie aus 45B ersichtlich ist, aufgrund
der verwendeten hohen Drosseländerungsraten
ein schweres Maschinenklopfen mit oder ohne eingeschalteter Regelung
offensichtlich war, werden sowohl die LPP als auch die maximale
Druckanstiegsrate nach dem Lastübergang
besser geregelt, wenn die Regelung eingeschaltet ist.
-
Zusammengefasst
ist bei einer Verwendung einer Kombination einer Optimalwertsteuerung
und Nachschlagetabellen, die eine Kraftstoffinjektion, eine variable
Ventilbetätigung
(NVO), einen Zündfunkenzeitpunkt
(SI), Drossel- und AGR-Ventilstellungen umfassen, in Verbindung
mit einer Regelung, welche die NVO und die AGR-Ventilstellung verwendet,
die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
mit der vorliegenden Erfindung zwischen einer hohen Teillast und
einer mittleren Last ohne eine Fehlzündung und Teilverbrennungen
immer stabil.
-
Es
ist zu verstehen, dass die breiten Konzepte der vorliegenden Erfindung
nicht auf eine Verwendung mit dem beispielhaften Optimalwertsteuerungs-/Regelungssystem
begrenzt sind, welches in der Anwendung beschrieben wurde. Noch
ist die Erfindung auf die Verwendung von Steuerungen beschränkt, die,
wie in diesem Kontext erörtert,
auf Nachschlagetabellen basieren. Darüber hinaus können einige
Maschinensteuerungseingänge
für eine Maschine,
die über
ihren vollen Betriebsbereich in mehreren Betriebsarten betrieben
werden kann, welche in einer Betriebsart verwendet werden, in einer anderen
Betriebsart nicht aktiv sein.
-
In
diesem Kontext impliziert der Begriff "Synchronisieren der Änderungsraten", dass die Änderungsraten
betroffener Steuerungseingänge
proportional zu der Drehzahl- oder Laständerung geändert werden, mit welcher sie
in Beziehung stehen. Daher können Änderungsraten
von Steuerungseingängen relativ
zu der Änderung
der Drehzahl oder der Last, mit der sie in Beziehung stehen, konstant
oder variierend sein. Sie können
auch beispielsweise während eines
Abschnitts einer Drehzahländerung
variieren und bei einem anderen Abschnitt, bei dem die Funktion
des Eingangs nicht benötigt
sein kann oder durch eine andere Eingangseinrichtung ausgeführt wird,
inaktiv oder fest sein. Bei einem derartigen Fall weist der Steuerungseingang
eine feste oder variable Änderungsratenbeziehung
mit der Drehzahländerungsrate
auf, wenn der Eingang aktiv ist, weist aber eine Nullratenbeziehung
auf, wenn der Eingang nicht aktiv ist.
-
Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen
in dem Geist und Schutzumfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte
durchgeführt
werden können.
Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die
offenbarten Ausführungsformen
begrenzt ist, son dern dass sie den vollen Schutzumfang aufweist,
der durch die Sprache der nachfolgenden Ansprüche möglich ist.
-
Zusammenfassung
-
Es
wird ein Verfahren zur Steuerung einer Direkteinspritzmaschine bereitgestellt,
die mit einer gesteuerten Selbstzündung (HCCI) bei Lastübergangsoperationen
zwischen Betriebsarten mit einer mageren Verbrennung bei einer niedrigen
Last (HCCI/Lean) und einer stöchiometrischen
Verbrennung bei einer mittleren Last (HCCI/Stöch.) betrieben wird. Das Verfahren
umfasst 1) ein stationäres
Betreiben der Maschine in einem homogenen Kompressionszündungs-(HCCI)-Lastbereich
mit Kraftstoff-Luft-Abgas-Mischungen
für jede
Drehzahl und Last bei vorbestimmten Zuständen, und ein Steuern der Maschine
bei Änderungen
einer Betriebsart zwischen der HCCI/Stöch.-Betriebsart bei einer mittleren
Last und der HCCI/Lean-Betriebsart bei einer niedrigeren Last durch
ein Synchronisieren von Änderungsraten
vorbestimmter gesteuerter Eingänge
mit der aktuellen Maschinenkraftstoffzufuhränderungsrate.