DE112006001046T5 - HCCI- und SI-Verbrennungssteuerungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

HCCI- und SI-Verbrennungssteuerungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer, ein Einlassventil mit einem Einlassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, und ein Auslassventil mit einem Auslassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, besitzt, wobei das Verfahren umfasst:
Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt;
Betreiben der Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt; und
Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die in der Lage ist, sowohl in einer Betriebsart der Funkenzündung als auch in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung zu arbeiten.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Auf dem Fachgebiet ist die verdünnte Verbrennung von Benzin in einer Brennkraftmaschine unter Verwendung von entweder Luft oder zurückgeführtem Abgas (AGR), um den thermischen Wirkungsgrad von Benzin-Brennkraftmaschinen zu erhöhen und die Erzeugung von Stickoxiden NOx zu verringern, bekannt. Jedoch besteht wegen Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität, die aus einer langsamen Verbrennungsgeschwindigkeit des Ladungsgemischs resultieren, eine Grenze, bis zu der eine Brennkraftmaschine mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Erweitern der Verdünnungstoleranz umfassen 1) das Erhöhen der Zündempfindlichkeit des Gemischs durch Verbessern der Zündungs- und Gemischvorbereitung, 2) das Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einführen von Ladungsbewegung und Ladungsturbulenz und 3) das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung.
  • Der gesteuerte Selbstzündungsprozess kann als Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) bezeichnet werden. In diesem Prozess wird ein Ladungsgemisch aus AGR, Luft und Kraftstoff erzeugt und von mehreren Zündstellen innerhalb des komprimierten Ladungsgemischs aus gleichzeitig die Selbstzündung ausgelöst, was zu einer stabilen Leistungsabgabe und einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Da die Verbrennung hoch verdünnt und über das gesamte Ladungsgemisch gleichmäßig verteilt ist, ist die Temperatur der Verbrennungsprodukte typischerweise niedriger als jene einer herkömmlichen funkengezündeten Brennkraftmaschine mit einer sich ausbreitenden Flammenfront und des Dieselmotors mit einer gebundenen, streuenden Flamme. Die geringere Temperatur der Verbrennungsprodukte kann zu geringeren NOx-Emissionen führen, wenn in der HCCI-Betriebsart gearbeitet wird. Herkömmliche Verfahren zum Herbeiführen der gesteuerten Selbstzündung bei Teillast umfassen 1) das Aufheizen der Einlassluft, 2) das Verändern des Verdichtungsverhältnisses und 3) das Mischen von Benzin mit Kraftstoffen, die weitere Selbstzündungsbereiche als jene von Benzin besitzen. Bei allen oben genannten Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und Motorlasten, in dem eine gesteuerte Selbstzündung erreicht werden kann, relativ schmal.
  • Eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung kann in der HCCI-Betriebsart arbeiten, indem verschiedene Ventilöffnungs- und Ventilschließungsstrategien angewandt werden. Durch Verändern der Ventilprofile oder der Betriebseigenschaften der Auslassventile und/oder der Einlassventile kann ein hoher Anteil von Verbrennungsrestprodukten in dem Zylinder der Brennkraftmaschine zurückgehalten werden, um günstige Bedingungen zum Selbstzünden eines hoch verdünnten Ladungsgemischs zu schaffen. Der Bereich von Motordrehzahlen und Motorlasten, in dem eine gesteuerte Selbstzündung eintreten kann, kann erweitert wer den, indem verschiedene Ventilbetätigungsstrategien angewandt werden, wodurch sich das Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses der funkengezündeten (spark ignited, SI) Brennkraftmaschine erübrigt.
  • Eine solche Strategie ist die Abgasrekompression. Nach dieser Strategie wird das Auslassventil früher in dem Ausstoßtakt als bei einer typischen Viertakt-Brennkraftmaschine geschlossen. Dementsprechend wird das Einlassventil später als bei einer typischen Viertakt-Brennkraftmaschine geöffnet. Das frühe Auslassventilschließen und das späte Einlassventilöffnen bewirkt eine negative Ventilüberlappungsperiode, in der Verbrennungsprodukte in dem Zylinder der Brennkraftmaschine eingeschlossen werden. Diese eingeschlossenen Verbrennungsprodukte vermischen sich während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine mit dem Kraftstoff- und Luft-Ladungsgemisch und erwärmen dieses, wodurch der Selbstzündungsprozess gefördert wird.
  • Eine weitere Ventilstrategie ist die erneute Belüftung mit Abgas. Nach dieser Strategie wird das Auslassventil für eine erste Periode geöffnet, um zuzulassen, dass verbrannte Gase aus der Verbrennungskammer ausgestoßen werden. Anschließend öffnet das Auslassventil für eine zweite Periode, um zuzulassen, dass zuvor ausgestoßene Verbrennungsprodukte in den Zylinder zurück gesaugt werden. Durch zweimaliges Öffnen des Auslassventils während jedes Zyklus der Viertakt-Brennkraftmaschine werden in der Verbrennungskammer günstige Bedingungen geschaffen, die eine stabile Selbstzündungsverbrennung unterstützen.
  • Eine nochmals weitere Ventilstrategie ist ein Hybrid bzw. Mittelding zwischen der Abgasrekompression und der erneuten Belüftung mit Abgas. In dieser Betriebsart kann die Betriebsart der Abgasrekompression verwendet werden, wenn die Brennkraftmaschine bei niedriger Motorlast arbeitet.
  • Bei höheren Motorlasten kann die Strategie der erneuten Belüftung mit Abgas angewandt werden. Außerdem kann durch Verändern des Auslassventilhubs und der Einlassventil-Steuerzeiten die funkengezündete Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart mit Laststeuerung arbeiten. In dieser Betriebsart verändern die Einlassventil-Steuerzeiten die Motorlast durch Steuern der zu dem Zylinder übertragenen Einlassluftmenge.
  • Um die oben erwähnten Betriebsstrategien zu ermöglichen, kann die Brennkraftmaschine mit einem System für variable Ventilbetätigung (VVA) ausgestattet sein, das von Nockenwellenverstellvorrichtungen und einer zweistufigen Ventilbetätigung bis zu einem System für voll flexible Ventilbetätigung (FFVA) geht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren für robuste Steuerungen der gesteuerten Selbstzündung und der funken- bzw. fremdgezündeten Verbrennung bei Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, einschließlich der Übergänge, unter Anwendung einer Ventilstrategie entweder mit erneuter Belüftung mit Abgas oder mit einer Kombination von Abgasrekompression und erneuter Belüftung. Diese Verfahren sind in der Lage, zur Stickoxide-(NOx)-Steuerung einen Motorbetrieb entweder mit einem stöchiometrisch mageren oder einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei veränderlichen Abgasrückführungs-(AGR)-Raten und Drosselklappenstellungen zur Klopfregelung und mit einer Kombination der Verbrennungsbetriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI) und der Verbrennungsbetriebsart der Funken- bzw. Fremdzündung (SI) zu ermöglichen, um die Kraftstoffeinsparung über einen weiten Bereich von Motorbetriebszuständen zu optimieren.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer, ein Einlassventil mit einem Einlassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt bzw. eine zeitliche Steuerung und eine Dauer definiert, und ein Auslassventil mit einem Auslassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt bzw. eine zeitliche Steuerung und eine Dauer definiert, besitzt, geschaffen. Das Verfahren umfasst das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt. Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt.
  • Das Verfahren kann ferner das Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem im Allgemeinen stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung umfassen. Anschließend kann die Brennkraftmaschine für einen Abschnitt hoher Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung mit einem im Allgemeinen stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden. Das Verfahren kann außerdem das Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer wenigstens zweimal während jedes Zyklus der Brennkraftmaschine, wenn die Brennkraftmaschine in dem Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung arbeitet, umfassen.
  • Die Brennkraftmaschine kann für wenigstens einen Abschnitt der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung in einer Betriebsart der Abgasrekompression und/oder einer Betriebsart der erneuten Belüftung mit Abgas betrieben werden. Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebsarten werden durch Veränderungen des Ventilprofils des Einlassventils und/oder des Auslassventils gesteuert. Außerdem kann für wenigstens einen Abschnitt der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung ein Zündfunke bereitgestellt werden.
  • Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die eine Verbrennungskammer besitzt und durch eine elektronische Steuereinheit steuerbar ist, die eine Vorwärtskopplungssteuerung bzw. Steuerung mit mehreren Verweistabellen und eine Rückkopplungsregelung bzw. Regelung umfasst, geschaffen. Das Verfahren umfasst das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt, während die Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung betrieben wird, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt. Das Verfahren umfasst ferner das Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer bzw. des Schließwinkels und/oder der variablen Ventilbetätigung. Die Regelung dient dazu, den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder den Einlassluft-Sauerstoffprozentsatz und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder die Zündfunken-Verweildauer und/oder den Kraftstoffein spritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite zu steuern. Das Verfahren umfasst außerdem das Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt. Für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder der variablen Ventilbetätigung und/oder für die Abgasrückführung und/oder für die Drosselklappenstellung werden über die mehreren Verweistabellen Steuerungs-Sollwerte an die Brennkraftmaschine geliefert. Die Regelung dient dazu, den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer anhand des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite zu steuern und außerdem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die Drosselklappenstellung und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Abgasrückführung zu steuern.
  • Das Verfahren kann ferner das Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung umfassen. Für die Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Zündfunken-Verweildauer bzw. den Schließwinkel und/oder die variable Ventilbetätigung werden über die mehreren Verweistabellen Steuerungs-Sollwerte an die Brennkraftmaschine geliefert. Die Regelung dient dazu, den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung zu steuern und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung zu steuern. Anschließend kann die Brennkraftmaschine für einen Abschnitt hoher Mo torlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden. Für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder der variablen Ventilbetätigung und/oder für die Abgasrückführung und/oder für die Drosselklappenstellung werden über die mehreren Verweistabellen Steuerungs-Sollwerte an die Brennkraftmaschine geliefert. Die Regelung dient dazu, den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder den Einlassluft-Sauerstoffprozentsatz und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder die Zündfunken-Verweildauer und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite zu steuern.
  • Die oben angeführten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der besten Arten der Ausführung der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird, schnell deutlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer benzingespeisten Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die so konfiguriert ist, dass sie nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeiten kann;
  • 2 ist eine graphische Darstellung eines Steuersystems, das betrieben werden kann, um die Brennkraftmaschine von 1 so zu steuern, dass sie nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet;
  • 3 zeigt eine beispielhafte Einlassventil- und Auslassventilbetätigungs- und Kraftstoffeinspritzstrategie und Verbrennungsbetriebsarten als Funktion der Motorlast in Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
  • 4a ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für eine Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI-Betriebsart) im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems und eines Nockenwellenverstellsystems;
  • 4b ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für einen Übergang von einer HCCI-Betriebsart zu einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung (SI/NTLC-Betriebsart) im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems und eines Nockenwellenverstellsystems;
  • 4c ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für die SI/NTLC-Betriebsart im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems und eines Nockenwellenverstellsystems;
  • 4d ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für einen Übergang von der SI/NTLC-Betriebsart zu einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung (SI-Betriebsart) im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems und eines Nockenwellenverstellsystems;
  • 5a ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für eine HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch, im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems, eines Nockenwellenverstellsystems und der Fähigkeit zu einem variablen Auslassventilhub für erneute Belüftung;
  • 5b ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für einen Übergang von der HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch, zu der SI/NTLC-Betriebsart im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 3 unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems, eines Nockenwellenverstellsystems und der Fähigkeit zu einem variablen Auslassventilhub für erneute Belüftung;
  • 6 zeigt eine beispielhafte Einlassventil- und Auslassventilbetätigungs- und Kraftstoffeinspritzstrategie und Verbrennungs lasten als Funktion der Motorlast in Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
  • 7a ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für eine HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch mager, mit Abgasrekompression im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 6 unter Verwendung entweder eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems mit der Fähigkeit zu einem erneuten Öffnen des Auslassventils oder eines dreistufigen Ventilbetätigungssystems sowie eines Nockenwellenverstellsystems;
  • 7b ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für eine HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch mager, die einen Übergang von der Abgasrekompression zu einer erneuten Belüftung mit Abgas zeigt, im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 6 unter Verwendung entweder eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems mit der Fähigkeit zu einem erneuten Öffnen des Auslassventils oder eines dreistufigen Ventilbetätigungssystems sowie eines Nockenwellenverstellsystems; und
  • 7c ist eine graphische Darstellung des Einlassventilhubs und des Auslassventilhubs als Funktion des Kurbelwinkels und der Motorlast für eine HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch mager, und eine HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch, die eine erneute Belüftung mit Abgas zeigt, im Einklang mit der Motorbetriebsstrategie nach 6 unter Verwendung entweder eines zwei stufigen Ventilbetätigungssystems mit der Fähigkeit zu einem erneuten Öffnen des Auslassventils oder eines dreistufigen Ventilbetätigungssystems sowie eines Nockenwellenverstellsystems.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung richtet sich auf die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Einzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung. Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf eine Mehrzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung wie etwa eine solche mit vier, sechs oder acht Zylindern anwendbar ist. Außerdem richtet sich die folgende Beschreibung auf die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Motor mit zwei Ventilen pro Zylinder (einem Einlassventil und einem Auslassventil). Es sollte jedoch erkennbar sein, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf eine Brennkraftmaschine mit mehreren Einlass- oder Auslassventilen pro Zylinder anwendbar ist. In Verbindung mit bestimmen Aspekten der vorliegenden Erfindung können auch alternative Strategien wie etwa die Saugrohr- bzw. Einzel-Kraftstoffeinspritzung oder die Drosselklappengehäuse-Kraftstoffeinspritzung angewandt werden; jedoch ist der bevorzugte Lösungsweg die Direkteinspritzung. Obwohl weitgehend verfügbare Klassen von Benzin und leichten Gemischen von Ethanol und Benzin die bevorzugten Kraftstoffe sind, können auch andere flüssige und gasförmige Kraftstoffe wie etwa höhere Ethanolgemische (E80, E85 usw.), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Naturgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate usw. bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Fachleute werden erkennen, dass der Begriff "Viertakt" im Allgemeinen eine Brennkraftmaschine bezeichnet, deren Kurbelwelle sich während jedes Motorzyklus um zwei Umdrehungen oder 720 Grad dreht. Das heißt, dass sich ein Kolben in der Brennkraftmaschine während dem, was als Ansaugtakt bezeichnet wird, in dem der Brennkraftmaschine Einlassluft und/oder Kraftstoff zugeführt werden, von einer oberen Totpunktposition (OT-Position) zu einer unteren Totpunktposition (UT-Position) bewegt. Während des Kompressionstaktes bewegt sich der Kolben von der UT-Position zu der OT-Position, wobei das Kraftstoff- und Luftgemisch verdichtet wird, um günstige Bedingungen für die Verbrennung zu schaffen. Anschließend bewegt sich der Kolben während des Arbeits- oder Expansionstaktes von der OT-Position zu der UT-Position. Während des Expansionstaktes drängen schnell expandierende Verbrennungsgase den Kolben nach unten, um Leistung zu erzeugen. Wenn sich der Kolben von der UTPosition zu der OT-Position bewegt, was gewöhnlich als Ausstoßtakt bezeichnet wird, werden Verbrennungs- oder Abgasprodukte aus der Brennkraftmaschine gezwungen. Im Gegensatz zu einer Zweitakt-Brennkraftmaschine werden bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine der Einlassluftstrom und der Abgasstrom herkömmlicherweise über Tellerventile gesteuert.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung 10 gezeigt. Die Brennkraftmaschine 10 kann in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung oder HCCI-Betriebsart und in eine Betriebsart der Funkenzündung oder SI-Betriebsart betrieben werden. Die Brennkraftmaschine 10 besitzt einen Kolben 12, der sich in einer durch eine Zylinderlaufbuchse 16 definierten Zylinderbohrung 14 hin- und herbewegt. Der Kolben 12, die Zylinderbohrung 14 und ein Zylinderkopf 18 wirken so zusammen, dass sie eine Verbrennungskammer 20 mit variablem Volumen bilden. Ein durch den Zylinderkopf 18 definierter Einlasskanal 22 dient dazu, Einlassluft von einem Ansaug- bzw. Einlasskrümmer, nicht gezeigt, in die Verbrennungskammer 20 zu übertragen. Der Luftstrom in die Verbrennungskammer 20 wird durch wahlweises Öffnen und Schließen eines Einlassventils 24 gesteuert. Fachleute werden im Übrigen erkennen, dass der Verbrennungskammer 20 neben der Einlassluft wahlweise eine Menge an zurückgeführtem Abgas oder AGR-Gas zugeführt werden kann. Die Verbrennungs- oder Abgasprodukte strömen von der Verbrennungskammer 20 in einen durch den Zylinderkopf 18 definierten Auslasskanal 26. Der Strom des Abgases wird durch wahlweises Öffnen und Schließen eines Auslassventils 28 gesteuert. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst ein Ventilbetätigungssystem 30, das dazu dient, sowohl das Einlassventil 24 als auch das Auslassventil 28 wahlweise zu öffnen und schließen. Das Ventilbetätigungssystem 30 kann Systeme wie etwa Nockenwellenversteller, ein zweistufiges Ventilbetätigungssystem, ein zweistufiges Ventilbetätigungssystem mit der Fähigkeit zu einem erneuten Öffnen des Auslassventils, ein dreistufiges Ventilbetätigungssystem und ein voll flexibles Ventilbetätigungssystem (FFVA-System), um einige zu benennen, umfassen. Das beispielhafte Ventilbetätigungssystem 30, das hier verwendet wird, um die verschiedenen Betriebsarten der Brennkraftmaschine 10 zu beschreiben, ist ein zweistufiger Mechanismus für variable Ventilbetätigung, der sowohl eine Einlass- als auch eine Auslassnockenwellenverstellung anwendet, oder ein solcher zweistufiger Mechanismus für variable Ventilbetätigung mit der Fähigkeit zu einem erneuten Öffnen des Auslassventils oder ein solcher dreistufiger Mechanismus für variable Ventilbetätigung. Die Ventilbetätigungsereignisse werden durch eine elektronische Steuereinheit 32 gesteuert, die einen programmierbaren Digitalrechner umfasst. Der Betrieb einer solchen elektronischen Steuereinheit 32 ist Fachleuten auf dem Gebiet der elektronischen Steuersysteme wohlbekannt.
  • Der Kolben 12 ist über einen Verbindungsstab 40 mit einer Kurbelwelle 38 verbunden. Der Kolben 12, der Verbindungsstab 38 und die Kurbelwelle 38 wirken so zusammen, dass sie die Hin- und Herbewegung des Kolbens 12 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 38 umwandeln. Die Winkelumdrehung der Kurbelwelle wird durch einen Kurbelwellenpositionssensor 42 gemessen. Der Kurbelwellenpositionssensor 42 überträgt die Winkelposition der Kurbelwelle 38 zu der elektronischen Steuereinheit 32, wo eine Motordrehzahlbestimmung ausgeführt wird. In dem Zylinderkopf 18 ist eine Direkt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 44 vorgesehen, die dazu dient, wahlweise in Ansprechen auf Befehle von der elektronischen Steuereinheit 32 kalibrierte Mengen von Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 20 einzuspritzen. Außerdem kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 44 so betrieben werden, dass sie wahlweise in Ansprechen auf Befehle von der elektronischen Steuereinheit 32 mehrere Kraftstoffeinspritzereignisse während jedes Zyklus der Brennkraftmaschine 10 herbeiführt.
  • In dem Zylinderkopf 18 ist eine Zündkerze 46 vorgesehen, die auf Befehle von der elektronischen Steuereinheit 32 anspricht. Die Zündkerze 46 ist so betreibbar, dass sie einen Zündfunken in der Verbrennungskammer 20 bereitstellt, um den Verbrennungsprozess des Kraftstoff- und Luftgemischs auszulösen, und dabei die Zündzeitpunktsteuerung über einen weiten Motordrehzahl- und Motorlastbereich verbessert. Obwohl die Brennkraftmaschine 10 bei den meisten HCCI-Betriebszuständen die Zündkerze 46 nicht benötigt, kann es wünschenswert sein, die Zündkerze 46 zu verwenden, um den Selbstzündungsprozess zu vervollständigen. Die Zündkerze 46 ist während des Kaltstarts und des Niedriglastbetriebs besonders vorteilhaft. Außerdem kann die Zündkerze 46 verwendet werden, wenn die Brennkraftmaschine 10 unter hoher Lasst in einer Betriebsart der gesteuerten Selbstzündung arbeitet und wenn die Brennkraftmaschi ne 10 bei hoher Last/Drehzahl in einer gedrosselten oder ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung arbeitet.
  • Außerdem ist die elektronische Steuereinheit 32 so konfiguriert, dass sie mehrere motorbezogene Eingaben 47 von mehreren Quellen mit Messwandler wie etwa die Motorkühlmitteltemperatur, die Umgebungslufttemperatur, die Einlasskrümmerlufttemperatur, den Einlassluft-Sauerstoffprozentsatz, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, den Zündzeitpunkt, AGR, Drehmomentanforderungen vom Fahrer bzw. von der Bedienungsperson, den Umgebungsdruck und den Einlasskrümmerdruck (während des gedrosselten Betriebs) sowie Verlagerungs- und Positionssensoren für das Einlassventil 24 und für das Auslassventil 28 überwacht. Die elektronische Steuereinheit 32 stellt ferner Steuerbefehle für eine Vielzahl von elektrisch gesteuerten Motorkomponenten bereit und veranlasst bzw. erfüllt allgemeine Diagnosefunktionen.
  • Die bevorzugte Kraftstoffzufuhrmethodik für die oben beschriebene Brennkraftmaschine 10 wird nun beschrieben. Wie oben bereits angeführt worden ist, ist Benzin der bevorzugte Kraftstoff der vorliegenden Erfindung, jedoch sind auch flüssige und gasförmige Kraftstoffe Kandidaten für eine Direkteinspritzung. Außerdem ist ins Auge gefasst, die luftunterstützte Kraftstoffzufuhr und andere Kraftstoffzufuhrtypen zu verwenden. Im Allgemeinen wird bei niedrigen und mittleren Motorlasten die aufgeteilte Einspritzung der Gesamtkraftstoffladung von der elektronischen Steuereinheit 32 befohlen, während bei höheren Motorlasten eine Einzeleinspritzung der Gesamtkraftstoffladung von der elektronischen Steuereinheit 32 befohlen wird. Außerdem kann es vorteilhaft sein, das Klopfen bei den höchsten Motorlasten zu verringern, indem eine aufgeteilte Einspritzung der gesamten Kraftstoffladung befohlen wird. Wenn in einer Betriebsart mit aufgeteilter Einspritzung gearbeitet wird, wird die Gesamt kraftstoffanforderung für den Motorzyklus auf zwei Einspritzereignisse aufgeteilt. Eines der Einspritzereignisse erfolgt früh in dem Ansaugtakt, wobei 10-30 % der Gesamtkraftstoffladung in die Verbrennungskammer 20 eingespritzt werden, während der Rest der Gesamtkraftstoffladung anschließend während des anderen Einspritzereignisses, das während des Kompressionstaktes erfolgt, eingespritzt wird. Im Allgemeinen ist das durch dieses erste Einspritzereignis hergestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis unzureichend für eine Selbstzündung in der Verbrennungskammer 20. Das besagte zweite Einspritzereignis reichert das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während eines Kompressionstaktes auf einen Grad an, der ausreicht, um bei niedrigen und mittleren Motorlasten eine Selbstzündung zu verursachen.
  • 2 ist eine schematische, graphische Darstellung eines Steuersystems, das betrieben werden kann, um die Brennkraftmaschine 10 so zu steuern, dass sie nach den Motorbetriebsverfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet. Die elektronische Steuereinheit 32 umfasst eine Steuerung 48 und eine Regelung 50. Die Steuerung 48 ist wirksam, um ein schnelles Systemansprechen zu erzielen, und umfasst eine Verweistabelle 52 und mehrere Ratenbegrenzer 54. Um die Verbrennungsphasenlage, d. h. den Ort des Spitzendrucks (location of peak Pressure, LLP) in der gewählten Verbrennungsbetriebsart (SI gegenüber HCCI) zu steuern, werden anhand der Verweistabellen 52 auf der Grundlage der Werte für die Eingaben 47 und der gewünschten Motorbetriebsbedingungen Werte für den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite, die Ventilbetätigung (Ventilsteuerzeit- und Ventilhubprofil), den Zündzeitpunkt, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung berechnet. Die Ratenbegrenzer 54 werden dazu verwendet, die unterschiedliche Betriebsdynamik innerhalb des Systems, z. B. die Luft-, die Kraftstoff- und die AGR-Dynamik, auszugleichen.
  • Die elektronische Steuereinheit 32 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie mehrere Freiheitsgrade mit mehreren Eingaben gleichzeitig steuert, was manchmal als Steuersystem mit mehreren Eingaben und mehreren Ausgaben (MIMO-Steuersystem) bezeichnet wird. Die Regelung 50 wird verwendet, um die Robustheit des gesamten Steuersystems zu verbessern. Jede der Steuerungsausgaben wird einem Versatz durch die Regelungseingaben unterworfen, bevor sie durch die elektronische Steuereinheit 32 als Befehls- bzw. Sollwert zu der Brennkraftmaschine 10 übertragen wird. Jedoch werden in den meisten Fällen nur einige wenige ausgewählte benötigt. Eine nähere Beschreibung des Betriebs der Steuerung 48 und der Regelung 50 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 erfolgt ausführlicher weiter unten mit Bezug auf die 3 und 6.
  • 3 ist eine graphische Darstellung einer Motorbetriebsstrategie im Einklang mit der vorliegenden Erfindung, die Einlassventil- und Auslassventil-Steuerzeiten als Funktion der Motorlast zeigt, wobei eine Ventilbetätigungsstrategie der erneuten Belüftung mit Abgas angewandt wird. 3 zeigt die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Auslassventils 28 und des Einlassventils 24 der Brennkraftmaschine 10, während sowohl in der HCCI-Verbrennungsbetriebsart als auch in der SI-Verbrennungsbetriebsart gearbeitet wird. Es sind volle 720 Grad oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle auf der vertikalen Achse aufgezeichnet, wobei bei 0 Grad begonnen wird, was der OT-Verbrennung, d. h. der Position des Kolbens zu Beginn des Expansionstaktes (Ende des Kompressionstaktes) entspricht, und bei 720 aufgehört wird, was derselben OT-Position am Ende des Kompressionstaktes (Beginn des Expansionstaktes) entspricht. Durch Konvention, die hier befolgt wird, beziehen sich die Kurbelwellen-Winkelpositionen 0 bis 720 auf Kurbelwellenumdrehungsgrad nach OT des Expansionstaktes. Die aufeinander folgend wiederholten Takte sind am rech ten Rand von 3 in Doppelpfeilen, die mit "Expansion", "Ausstoß", "Ansaugung" und "Kompression" markiert sind, dargestellt. Jeder dieser Takte entspricht der Kolbenbewegung zwischen jeweiligen OT- und UT-Positionen und überdeckt volle 180 Kurbelwellenumdrehungsgrad oder ein Viertel des vollständigen Viertaktzyklus.
  • Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet nach einer Ventilstrategie der erneuten Belüftung mit Abgas unter Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems und eines Nockenwellenverstellsystems für das Ventilbetätigungssystem 30. 3 zeigt Ventilsteuerzeiten sowohl für das Einlassventil 24 als auch das Auslassventil 28 als Funktion der Motorlast oder des mittleren wirksamen Netto-Drucks (NMEP) bei einer konstanten Motordrehzahl von 1000 min–1. In 3 repräsentieren EVO/EVC und EVO_2/EVC_2 Auslassventil-Öffnungs- bzw. -Schließzeitpunkte für das Hauptereignis und das Neubelüftungsereignis, während IVO und IVC Einlassventil-Öffnungs- bzw. -Schließzeitpunkte repräsentieren. Außerdem sind durch Rechtecke Übergangsbereiche zwischen den jeweiligen verschiedenen Motorbetriebsarten abgegrenzt.
  • Außerdem sind in 3 die Kraftstoffzufuhrstrategie (aufgeteilte Einspritzung gegenüber Einzeleinspritzung) und verschiedene Verbrennungsbetriebsarten als Funktion der Motorlast gezeigt. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 10 unterhalb von 420 kPa NMEP in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündung oder HCCI-Betriebsart mit einem stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (HCCI/mager) betrieben. Während dieser Verbrennungsbetriebsart eilt die Einlassventil-Steuerzeit mit zunehmender Motorlast vor, was bewirkt, dass sich der Pegel des Vakuums im Zylinder weiter senkt. Ferner nimmt der Stickoxide- oder NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast zu. Bei Motorlasten unter etwa 115 kPa NMEP wird die Kraftstoffzufuhrstrategie der aufgeteilten Ein spritzung angewandt. Bei Motorlasten zwischen etwa 115 kPa NMEP und 420 kPa NMEP wird die Kraftstoffzufuhrstrategie der Einzeleinspritzung angewandt. Bei etwa 420 kPa NMEP beträgt der NOx-Emissionsindex etwa 1 Gramm pro Kilogramm verbranntem Kraftstoff.
  • Bei Motorlasten zwischen 420 und 470 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (HCCI/stöch.) betrieben, um die Verwendung einer herkömmlichen Nachbehandlungsvorrichtung für NOx-Steuerung wie etwa eines Dreiwege-Katalysators zu ermöglichen. Wiederum wird die Kraftstoffzufuhrstrategie der aufgeteilten Einspritzung angewandt, um das Einsetzen von Klopfen zu kontrollieren. Oberhalb von 470 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (SI-NTLC/stöch.) unter Verwendung eines typischen Produktions-Auslassventilhubprofils und eines Kurzdauer-Niedrighub-Einlassventilprofils mit frühem Einlassventilschließen für die Motorlaststeuerung betrieben. Das Einlassventilhubprofil erübrigt eine Motorlaststeuerung mittels eines Drosselventils und verringert dadurch den Verlust an Leistung infolge Pumparbeit. Die Kraftstoffzufuhrstrategie der einzelnen Einspritzung oder der aufgeteilten Einspritzung erzielt, sobald sie optimiert ist, dieselbe Motorleistung. Jenseits von 600 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der herkömmlichen gedrosselten SI-Betriebsart bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (SI, gedrosselt/stöch.) unter Verwendung von typischen Produktions-Auslassventil- und -Einlassventilhubprofilen betrieben. Bei Motorlasten oberhalb von 600 kPa NMEP kann die Kraftstoffzufuhrstrategie der einzelnen Einspritzung oder der aufgeteilten Einspritzung angewandet werden. In der Nähe der vollen Motorlast kann es vorteilhaft sein, die Kraftstoffzufuhrstrategie der aufgeteilten Einspritzung anzuwenden, um das Einsetzen von Klopfen zu verhindern. Außerdem kann zur Verbesserung des Schutzes von Motorkomponenten und/oder zur Erhöhung der Leistung ein stöchiometrisch fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis befohlen werden. Die oben erwähnte Motorbetriebsstrategie wird durch die Verwendung eines zweistufigen Ventilbetätigungsmechanismus, bei dem Einlassventil- und Auslassventilhubprofile unabhängig voneinander verändert werden können, ermöglicht.
  • In den 4a bis 4d, wobei weiterhin auf die 1 bis 3 Bezug genommen wird, sind repräsentative Einlass- und Auslassventilhubprofile als Funktion des Kurbelwinkels gezeigt, die für den Motorbetrieb während der HCCI-Betriebsart, des Übergangs von der HCCI-Betriebsart zu der SI/NTLC-Betriebsart, der SI/NTLC-Betriebsart bzw. des Übergangs von der SI/NTLC-Betriebsart zu der Betriebsart Si, gedrosselt, verwendet werden. In einer zu 3 ähnlichen Weise sind die aufeinander folgend wiederholten Takte an der Oberseite der 4a bis 4d innerhalb von Doppelpfeilen, die mit "Expansion", "Ausstoß", "Ansaugung" und "Kompression" markiert sind, dargestellt. Außerdem sind in jeder der 4a bis 4d Pfeile, die die Richtung zunehmender Motorlast angegeben, angegeben.
  • 4a zeigt, dass während der HCCI-Betriebsart die Einlassventil-Steuerzeiten mit zunehmender Motorlast voreilen. Mit anderen Worten, die Vakuumbildung in dem Zylinder nimmt infolge des späten Einlassventilöffnens mit zunehmender Motorlast ab. Während der HCCI-Betriebsart arbeiten sowohl das Einlassventil 24 als auch das Auslassventil 28 in einer Niedrighubbetriebsart. Außerdem besitzt das Auslassventilhubprofil eine Doppelöffnungscharakteristik, d. h., dass sich das Auslassventil 28 für wenigstens einen Abschnitt des Ansaugtaktes erneut öffnet, um das erneute Einleiten von Abgas in die Verbrennungskammer 20 während des Ansaugtaktes zu ermöglichen. Während des Übergangs zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI/NTLC-Betriebsart, der in 4b gezeigt ist, erfordert das Auslassventilhubprofil einen Wechsel von einem doppelten Öffnen zu einem einmaligen Öffnen, wobei das Haupt-Auslassventilhubprofil Hub-, Dauer- und Zeitpunktänderungen besitzt. Wenn die Motorlast während des Übergangs zunimmt, arbeitet das Auslassventil 28 in einer Hochhubbetriebsart und phast auf einen geringfügig weiter auf früh eingestellten Zeitpunkt ein. Außerdem verlängert sich die Dauer des Auslassventilöffnungsereignisses. Das Einlassventilhubprofil phast auf einen stärker auf früh eingestellten Zeitpunkt ein.
  • 4c zeigt, dass bei einem Betrieb in der SI/NTLC-Betriebsart die Einlassventil-Steuerzeiten mit zunehmender Motorlast nacheilen und dadurch die Überlappung zwischen dem Auslassventilhubprofil und dem Einlassventilhubprofil verringern. Dies wirkt sich so aus, dass die Einlassluftmenge, die während des Ansaugtaktes in die Verbrennungskammer 20 eingeleitet wird, verändert wird, derart, dass sich ein gedrosselter Motorbetrieb zur Laststeuerung erübrigt. Wie oben angeführt worden ist, nimmt durch Betreiben der Brennkraftmaschine 10 in einer ungedrosselten Betriebsart der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 10 wegen der Abnahme des Pumpverlustes zu. Während des Übergangs von der SI/NTLC-Betriebsart zu der Betriebsart SI, gedrosselt, der in 4d gezeigt ist, erfordert das Einlassventilhubprofil Änderungen sowohl des Hubs als auch der Dauer und des Zeitpunkts, während das Auslassventilhubprofil dasselbe bleibt. Wie in 4d gezeigt ist, verändert sich der Einlassventilhub von einer Niedrighubbetriebsart zu einer Hochhubbetriebsart, wenn die Motorlast während des Übergangs zunimmt. Ferner nimmt die Dauer zu und eilt die Einlassventil-Steuerzeit nach, wenn die Motorlast während des Übergangs zunimmt. Wenn in der Betriebsart SI, gedrosselt, gearbeitet wird, sind die Drosselklappenstellung und der Zündzeitpunkt ausreichend für eine Motorlaststeuerung, wodurch ermög licht wird, dass die Auslassventil- und Einlassventilhubprofile zu einer typischen Produktionseinstellung oder Hochhubeinstellung zurückkehren.
  • Der Motorbetriebsbereich in der HCCI/stöch.-Betriebsart kann erweitert werden, wenn ein Mechanismus für variable Hubsteuerung zur erneuten Belüftung mit Abgas verfügbar ist, wie durch die 5a und 5b demonstriert wird. Insbesondere ist mit einer Kombination von einem niedrigen Neubelüftungshub und einem auf früh eingestellten Einlasszeitpunkt eine HCCI-Verbrennung bei höheren NMEP-Werten möglich. Ein Übergang zu SI/NTCL wird erreicht, wie in 5b gezeigt ist, indem lediglich das Auslassventilhubprofil verändert wird. Der übrige Motorbetrieb in der HCCI-Betriebsart ist derselbe, wie er in 4a gezeigt ist, während der übrige Motorbetrieb in der SI/NTLC-Betriebsart und der Betriebsart SI, gedrosselt, derselbe ist, wie er in den 4c bzw. 4d beschrieben worden ist.
  • Die Steuerung des Motorbetriebs während jeder der oben mit Bezug auf 3 beschriebenen Motorbetriebsarten hängt sowohl von der Steuerung 48 als auch von der Regelung 50, die in 2 gezeigt sind, ab. Während der HCCI-Betriebsart mit stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt und die Parameter für variable Ventilbetätigung enthalten. Um die Verbrennungsstabilität aufrechtzuerhalten, arbeitet die Regelung 50 zum Steuern des Ortes des Spitzendrucks oder LPP in der Verbrennungskammer 20 so, dass sie Werte der variablen Ventilbetätigung rückkoppelt. Außerdem wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, indem Werte der variablen Ventilbetätigung und der Drosselklappenstellung rückgekoppelt werden. Wenn die Motorbetriebsart von HCCI, stöchiometrisch mager, zu HCCI, stöchiometrisch, übergeht, steuert die Regelung 50 den Sauerstoffprozentsatz in dem Einlass, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und den LPP, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung.
  • Wenn in der HCCI-Motorbetriebsart mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis gearbeitet wird, verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt, die Parameter für variable Ventilbetätigung, AGR und die Drosselklappenstellung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes in dem Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung. Außerdem arbeitet bei Motorbetriebsartübergängen von der HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch, zu der SI/NTLC-Betriebsart die Regelung 50 zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes in dem Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung.
  • Wenn in der SI/NTLC-Motorbetriebsart gearbeitet wird, verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt und die Parameter für variable Ventilbetätigung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes in dem Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklap penstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung. Außerdem arbeitet bei Motorbetriebsartübergängen von der SI/NTLC-Betriebsart zu der Betriebsart SI, gedrosselt, die Regelung 50 zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes in dem Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite, der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung.
  • Wenn in der Motorbetriebsart SI, gedrosselt, gearbeitet wird, verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt und die Drosselklappenstellung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, indem gemessene Werte für den Zündzeitpunkt und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt rückgekoppelt werden. Außerdem wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, indem gemessene Werte der Drosselklappenstellung, der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite und der AGR rückgekoppelt werden. Obwohl sich die obigen Abhandlungen in erster Linie auf einen Motorbetrieb mit Motorlastsprüngen konzentrierten, arbeitet die vorliegende Erfindung ebenso gut bei Motordrehzahlsprüngen.
  • Die Übergangs- bzw. Sprungcharakteristiken der vorliegenden Erfindung können auf eine von drei Arten gesteuert werden. Das erste Verfahren verwendet ein zweistufiges Ventilbetätigungssystem in Verbindung mit einem Nockenwellenverstellsystem. Der zweistufige Mechanismus dient dazu, entweder das Einlasshubprofil oder das Auslasshubprofil innerhalb eines Motorzyklus zu verändern. Während des Übergangs kann die Auslenkung bzw. der Hub bei stöchiometrisch mager beispielsweise während Verbren nungsbetriebsartübergängen von einem HCCI-Betrieb zu einem SI/NTLC-Betrieb (4b) oder von einem SI/NTLC-Betrieb zu einem SI-Betrieb, gedrosselt, so groß werden, dass er einen Fehlzündungszustand oder eine Teilverbrennung verursacht. Es ist eine Regelung anhand des gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zum dynamischen Steuern der Drosselklappenstellung und der Kraftstoffeinspritzung erforderlich. Um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den gewünschten Bereich zu steuern, wird ein Nachführungs-/Regulierungsmechanismus mit Rückkopplung verwendet. Außerdem kann bis zu einem gewissen Maße die AGR verwendet werden; jedoch kann dies eine nachteilige Auswirkung auf die Verbrennungsstabilität haben, wenn das Luft- und Kraftstoffgemisch übermäßig dünn wird. Während des Übergangsprozesses sollten das Geräusch, die Vibration und die Härte (noise, vbration and harshness, NVH) unter Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung verringert werden. Folglich sollten die Drosselklappenprogression und die Kraftstoffeinspritzrate so gesteuert werden, dass NVH verringert werden.
  • Das zweite Verfahren verwendet ein zweistufiges Ventilbetätigungssystem, ein Nockenwellenverstellsystem und eine variable Auslassventilhubsteuerung mit erneuter Belüftung, wie in den 5a und 5b demonstriert wird. Die Steuerung des gelieferten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Verbrennung während eines Verbrennungsbetriebsartübergangs von HCCI zu SI/NTCL (5b) kann mit einer richtigen Abstimmung von AGR- und Drosselklappenstellungs-Änderungsraten und der Änderungsrate der variablen Ventilbetätigung erreicht werden. Mit anderen Worten, zum Steuern der zu der Verbrennungskammer 20 übertragenen Einlassluftmenge kann eine enge Koordination zwischen der AGR-Rate, der Drosselklappenstellung und dem momentanen Auslass-Neubelüftungshub erforderlich sein. Wenn eine Vorrichtung für voll flexible Ventilbetätigung (FFVA) verfügbar ist, kann die Einlassluftmenge, die während der Motorbetriebsart übergänge in die Verbrennungskammer 20 eingeführt wird, durch die FFVA allein gesteuert werden. Sie kann dazu verwendet werden, den HCCI- oder SI/NTLC-Bereich zu erweitern oder sowohl für die HCCI-Betriebsart als auch die SI-Betriebsart einen gedrosselten Betrieb zu erübrigen.
  • Das dritte Verfahren verwendet ein Strömungs- oder Verwirbelungssteuerventil in dem Einlasssystem der Brennkraftmaschine 10. Eine solche Vorrichtung ist in der US-Patentanmeldung Nr. 10/981,971 , eingereicht am 5. November 2004, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Literaturverweis aufgenommen ist, beschrieben. Das Verwirbelungssteuerventil kann, wenn es bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen pro Zylinder in einem Zweig der Saugrohre verwendet wird, zur Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerung verwendet werden. Eine Veränderung der Strömungssteuerventileinstellung wirkt sich auf die Menge an frischer Ladung, die in den Zylinder eingeleitet wird, und somit auf das gelieferte Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus. Die Wirksamkeit des Strömungssteuerventils auf die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung hängt von der Motordrehzahl ab. Insbesondere kann das Schließen des Strömungssteuerventils zu einem niedrigeren gelieferten Luft/Kraftstoff-Verhältnis führen, wobei die Reduktionsrate mit zunehmender Motordrehzahl zunimmt.
  • 6 ist eine graphische Darstellung einer Motorbetriebsstrategie, die Einlass- und Auslassventil-Steuerzeiten als Funktion der Motorlast zeigt, wobei eine hybride bzw. gemischte Ventilbetätigungsstrategie mit einer Abgasrekompression (Abgasrekomp.) und einer Neubelüftung (Neubel.) im Einklang mit der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Die Steuerung der Bewegung der Einlass- und Auslassventile 24 und 28 der Brennkraftmaschine 10, die sowohl in der HCCI-Betriebsart als auch in der SI-Betriebsart arbeitet, wird durch Verwendung entweder eines zweistufigen Ventilbetätigungssystems mit der Fähigkeit zum erneuten Öffnen des Auslassventils oder eines dreistufigen Ventilbetätigungssystems sowie eines Nockenwellenverstellsystems erreicht. Die Einlass- und Auslassventil-Steuerzeiten sind als Funktion der Motorlast (NMEP) bei einer konstanten Motordrehzahl von 1000 min–1 aufgezeichnet. In 6 repräsentieren EVO/EVC und EVO_2/EVC_2 die Auslassventil-Öffnungs- und -Schließzeitpunkte für das Hauptereignis bzw. das Neubelüftungsereignis, während IVO und IVC die Einlassventil-Öffnungs- bzw. -Schließzeitpunkte repräsentieren. Die aufeinander folgend wiederholten Takte sind am rechten Rand von 6 in Doppelpfeilen, die mit "Expansion", "Ausstoß", "Ansaugung" und "Kompression" markiert sind, dargestellt. Außerdem sind Übergangsbereiche zwischen den jeweiligen verschiedenen Motorbetriebsarten durch Rechtecke abgegrenzt.
  • Außerdem sind in 6 die Kraftstoffzufuhrstrategie (aufgeteilte Einspritzung gegenüber Einzeleinspritzung) und verschiedene Motorbetriebsarten als Funktion der Motorlast gezeigt. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine 10 unterhalb von 420 kPa NMEP in der HCCI-Betriebsart mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (HCCI/mager) unter Anwendung einer Abgasrekompressions-Ventilstrategie betrieben. Während dieser Betriebsart nimmt die negative Ventilüberlappung mit zunehmender Motorlast ab. Bei 250 kPa NMEP erfolgt ein Übergang von Abgasrekompressionsstrategie zu einer Strategie der erneuten Belüftung mit Abgas, wobei ein Wechsel der Auslassventil- und Einlassventilhubprofile veranlasst wird. Das Auslassventilhubprofil wechselt von einem einmaligen Öffnen zu einem doppelten Öffnen, während die Einlassdauer um etwa 40 Grad zunimmt. Zwischen 250 und 420 kPa NMEP eilt der Einlasszeitpunkt mit zunehmender Motorlast vor, was eine Verringerung des Vakuums in dem Zylinder verursacht. Ferner nimmt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast zu. Bei 420 kPa NMEP beträgt der NOx-Emissionsindex etwa 1 Gramm pro Kilogramm verbranntem Kraftstoff. Bei Motorlasten zwischen 420 und 470 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der HCCI-Betriebsart mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (HCCI/stöch.) betrieben, um die Verwendung einer herkömmlichen Nachbehandlungsvorrichtung für NOx-Steuerung wie etwa eines Dreiwege-Katalysators zu ermöglichen. Wiederum wird eine Kraftstoffzufuhrstrategie der aufgeteilten Einspritzung angewandt, um das Einsetzen von Klopfen zu verhindern. Oberhalb von 470 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der ungedrosselten Verbrennungsbetriebsart der Funkenzündung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch (SI-NTLC/stöch.) unter Verwendung eines typischen Produktions-Auslassventilhubprofils und eines Kurzdauer-Niedrighub-Einlassventilprofils mit frühem Einlassventilschließen für die Motorlaststeuerung betrieben. Diese Einlassventil-Betriebsstrategie erübrigt eine Laststeuerung mittels eines Drosselventils und verringert dadurch den Verlust an Leistung infolge Pumparbeit. Die Kraftstoffzufuhrstrategie der einzelnen Einspritzung oder der aufgeteilten Einspritzung erzielt, sobald sie optimiert ist, dieselbe Motorleistung. Jenseits von 600 kPa NMEP wird die Brennkraftmaschine 10 in der herkömmlichen SI-Betriebsart, gedrosselt, mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch unter Verwendung von typischen Produktions-Auslassventil- und -Einlassventilhubprofilen betrieben. Es kann eine Kraftstoffzufuhrstrategie der einzelnen Einspritzung oder der aufgeteilten Einspritzung angewandet werden. Jedoch kann es in der Nähe von Volllast vorteilhaft sein, die Kraftstoffzufuhrstrategie der aufgeteilten Einspritzung anzuwenden, um das Klopfen zu verhindern. Außerdem kann zur Verbesserung des Schutzes von Motorkomponenten und/oder zur Erhöhung der Leistung ein stöchiometrisch fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch verwendet werden. Die oben erwähnte Motorbetriebsstrategie verwendet entweder einen zweistufigen Mechanismus mit der Fähigkeit zum erneuten Öffnen des Auslassventils oder einen dreistufigen Mechanismus, bei dem die Einlass- und Auslassventilhubprofile unabhängig voneinander verändert werden können.
  • Die 7a-7c zeigen repräsentative Auslass- und Einlassventilhubprofile für den Motorbetrieb in der HCCI/Rekomp./mager-Betriebsart, bei einem Übergang von der HCCI/Rekomp.-Betriebsart zu der HCCI/Neubel.-Betriebsart bzw. in der HCCI/Neubel.-Betriebsart. 7a zeigt, dass bei zunehmender Motorlast unterhalb von 215 kPa NMEP während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 in der HCCI/Rekomp.-Betriebsart die Auslassventil-Steuerzeiten nacheilen, während die Einlassventil-Steuerzeiten voreilen. Wie in 7b gezeigt ist, werden während des Übergangs von HCCI/Rekomp. zu HCCI/Neubel. sowohl das Auslass- als auch das Einlassventilprofil verändert. Insbesondere wird das Auslassprofil von einem einmaligen Öffnen zu einem zweimaligen Öffnen verändert, um eine erneute Belüftung mit Abgas zu ermöglichen, während die Einlassdauer von 120 auf 160 Grad verlängert wird. Wenn die Brennkraftmaschine 10 in den HCCI/Neubel.-Motorbetriebsarten betrieben wird, wie in 7c gezeigt ist, ist es zur Steuerung der Motorlast allein ausreichend, dass die Einlasssteuerzeiten auf früh eingestellt werden. Die übrigen Motorbetriebsarten, d. h. jene Betriebsarten oberhalb von 470 kPa NMEP, sind dieselben wie jene, die in den 4b, 4c und 4d gezeigt und oben beschrieben worden sind.
  • Die Steuerung des Motorbetriebs während jeder der oben mit Bezug auf 6 beschriebenen Motorbetriebsarten hängt sowohl von der Steuerung 48 als auch von der Regelung 50, die in 2 gezeigt sind, ab. Während der HCCI-Betriebsart mit stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und Abgasrekompression verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt und die Parameter der variablen Ventilbetätigung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, indem Werte der variablen Ventilbetätigung rückgekoppelt werden. Außerdem wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, indem Werte der variablen Ventilbetätigung und der Drosselklappenstellung rückgekoppelt werden. Wenn die Motorbetriebsart von HCCI, stöchiometrisch mager, mit Abgasrekompression zu HCCI, stöchiometrisch mager, mit erneuter Belüftung mit Abgas übergeht, arbeitet die Regelung 50 zum Steuern, indem Werte der variablen Ventilbetätigung rückgekoppelt werden. Außerdem wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, indem Werte der variablen Ventilbetätigung und der Drosselklappenstellung rückgekoppelt werden.
  • Wenn in der HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch mager, mit erneuter Belüftung mit Abgas gearbeitet wird, verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt und die Parameter der variablen Ventilbetätigung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, indem Werte der variablen Ventilbetätigung rückgekoppelt werden. Außerdem wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, indem Werte der variablen Ventilbetätigung und der Drosselklappenstellung rückgekoppelt werden. Bei Motorbetriebsübergangs von HCCI, stöchiometrisch mager, mit erneuter Belüftung mit Abgas zu HCCI, stöchiometrisch, mit erneuter Belüftung mit Abgas arbeitet die Regelung 50 zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes im Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung.
  • Wenn in der HCCI-Betriebsart, stöchiometrisch, mit erneuter Belüftung mit Abgas gearbeitet wird, verwendet die Steuerung 48 die Verweistabellen 52, genauer Verweistabellen, die repräsentative Werte für die Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Impulsbreite), den Zündzeitpunkt, die Parameter der variablen Ventilbetätigung, die AGR und die Drosselklappenstellung enthalten. Die Regelung 50 arbeitet zum Steuern des LPP, des Sauerstoffprozentsatzes im Einlass und des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, indem Werte der AGR, der variablen Ventilbetätigung, der Drosselklappenstellung, des Zündzeitpunkts und des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts rückgekoppelt werden, durch Einsatz der MIMO-Steuerung. Die übrigen Betriebsarten wie etwa der Übergang von HCCI zu SI/NTLC und der Übergang von SI/NTLC zu SI, gedrosselt, folgen derselben Regelungs- und Optimalwertsteuerung, wie sie oben mit Bezug auf 3 abgehandelt worden ist. Obwohl sich die obigen Abhandlungen in erster Linie auf einen Motorbetrieb mit Motorlastsprüngen konzentrierten, arbeitet die vorliegende Erfindung ebenso gut bei Motordrehzahlsprüngen.
  • Die Übergangs- bzw. Sprungcharakteristiken der vorliegenden Erfindung werden auf eine von drei Arten gesteuert. Das erste Verfahren verwendet ein dreistufiges Ventilbetätigungssystem in Verbindung mit einem Nockenwellenverstellsystem. Der Ventilbetätigungsmechanismus dient dazu, während eines Übergangs das Einlassventilhubprofil oder das Auslassventilhubprofil innerhalb eines Motorzyklus zu verändern. Die Auslenkung bzw. der Hub bei stöchiometrisch mager kann beispielsweise während Betriebsartübergängen von einem HCCI-Betrieb mit Rekompression zu einem HCCI-Betrieb mit Neubelüftung, von einem HCCI-Betrieb mit Neubelüftung zu einem SI/NTLC-Betrieb und von einem SI/NTLC-Betrieb zu einem gedrosselten SI-Betrieb so groß werden, dass er einen Fehlzündungszustand oder eine Teilverbrennung verursacht. Es ist eine Regelung anhand des gemessenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zum dynamischen Steuern der Drosselklappenstellung und der Kraftstoffeinspritzung erforderlich. Um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den gewünschten Bereich zu steuern, wird ein Nachführungs-/Regulierungsmechanismus mit Rückkopplung verwendet. Außerdem kann bis zu einem gewissen Maße die AGR verwendet werden; jedoch kann dies eine nachteilige Auswirkung auf die Verbrennungsstabilität haben, wenn die unverbrannte Ladung oder das Luft- und Kraftstoffgemisch übermäßig dünn wird. Während des Übergangsprozesses sollten NVH unter Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung verringert werden. Folglich sollten die Drosselklappenprogression und die Kraftstoffeinspritzrate so gesteuert werden, dass NVH verringert werden.
  • Das zweite Verfahren verwendet ein System für variable Ventilbetätigung. Die Steuerung des gelieferten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Verbrennung während eines Verbrennungsbetriebsartübergangs von HCCI zu SI/NTCL kann mit einer richtigen Abstimmung von AGR- und Drosselklappenstellungs-Änderungsraten und der variablen Ventilbetätigung erreicht werden. Mit anderen Worten, zum Steuern der zu der Verbrennungskammer 20 übertragenen Einlassluftmenge kann eine enge Koordination zwischen der AGR-Rate, der Drosselklappenstellung und dem momentanen Einlassventil- oder Auslassventilhubprofil erforderlich sein. Außerdem kann eine Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge angewandt werden. Wenn eine Vorrichtung für voll flexible Ventilbetätigung (FFVA) verfügbar ist, kann die Einlassluftmenge, die während der Motorbetriebsartübergänge zu der Verbrennungskammer 20 übertragen wird, durch die FFVA allein gesteuert werden. Sie kann dazu verwendet werden, den HCCI- oder SI/NTLC-Bereich zu erweitern oder sowohl für die HCCI-Betriebsart als auch die SI-Betriebsart einen gedrosselten Betrieb zu erübrigen.
  • Das dritte Verfahren verwendet in dem Einlasssystem der Brennkraftmaschine 10 ein Strömungs- oder Verwirbelungssteuerventil wie etwa jenes, das in der US-Patentanmeldung Nr. 10/981,971 , die oben durch Literaturverweis aufgenommen worden ist, beschrieben ist. Das Verwirbelungssteuerventil kann bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen pro Zylinder zur Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung in einem Zweig der Saugrohre verwendet werden. Eine Veränderung der Strömungssteuerventileinstellung wirkt sich auf die Menge an frischer Ladung, die in den Zylinder eingeleitet wird, und somit auf das gelieferte Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus. Die Wirksamkeit des Strömungssteuerventils auf die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung hängt von der Motordrehzahl ab. Insbesondere kann das Schließen des Strömungssteuerventils zu einem niedrigeren gelieferten Luft/Kraftstoff-Verhältnis führen, wobei die Reduktionsrate mit zunehmender Motordrehzahl zunimmt.
  • Fachleute dürften wissen, dass verschiedene Motoren verschiedene Betriebscharakteristiken besitzen. Als solches sind die Motorlastpunkte für das Übergehen von einer Betriebsart zur anderen dem Wesen nach rein beispielhaft und nicht so auszulegen, dass sie die vorliegende Erfindung begrenzen. Obwohl die besten Arten der Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, erkennen jene, die mit dem Fachgebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Praktizieren der Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren für robuste Steuerungen der gesteuerten Selbstzündung und der funken- bzw. fremdgezündeten Verbrennung bei Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, einschließlich der Übergänge, unter Anwendung einer Ventilstrategie entweder mit erneuter Belüftung mit Abgas oder einer Kombination von Abgasrekompression und erneuter Belüftung mit Abgas. Diese Verfahren sind in der Lage, zur Stickoxide-(NOx)-Steuerung einen Motorbetrieb entweder mit einem stöchiometrisch mageren oder einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei veränderlichen Abgasrückführungs-(AGR)-Raten und Drosselklappenstellungen zur Klopfregelung und mit einer Kombination der Verbrennungsbetriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI) mit der Verbrennungsbetriebsart der Funken- bzw. Fremdzündung (SI) zu ermöglichen, um die Kraftstoffeinsparung über einen weiten Bereich von Motorbetriebszuständen zu optimieren.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer, ein Einlassventil mit einem Einlassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, und ein Auslassventil mit einem Auslassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt; Betreiben der Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt; und Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem im Allgemeinen stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; und anschließend, Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem im Allgemeinen stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt hoher Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst: Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer wenigstens zweimal während jedes Zyklus der Brennkraftmaschine, wenn die Brennkraftmaschine in dem Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung arbeitet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Betätigen des Auslassventils in einer Betriebsart der erneuten Belüftung mit Abgas für wenigstens einen Abschnitt der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wobei das Auslassventil während wenigstens eines Abschnitts des Ausstoßtaktes des Motors ein Hauptöffnungsereignis hat und während wenigstens eines Abschnitts des Ansaugtaktes des Motors ein Neuöffnungsereignis hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Betätigen des Einlassventils und des Auslassventils in einer Betriebsart der Abgasrekompression für wenigstens einen Abschnitt der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wobei eine negative Ventilüberlappung mit zunehmender Motorlast abnimmt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer wenigstens zweimal während jedes Zyklus der Brennkraftmaschine, wenn die Brennkraftmaschine in der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, und/oder der gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung arbeitet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Übergehen zwischen der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung und der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, indem die Auslassventil-Steuerzeiten auf früh eingestellt werden und dabei der Hub und die Dauer des Auslassventilprofils verlängert werden, wenn die Motorlast zunimmt, und die Einlassventil-Steuerzeiten auf früh eingestellt werden, wenn die Motorlast zunimmt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die Einlassventil-Steuerzeiten während der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung auf spät eingestellt werden, um die zu der Verbrennungskammer übertragene Einlassluftmenge zu steuern.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Übergehen zwischen der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung und der gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, indem die Einlassventil-Steuerzeiten auf spät eingestellt werden und dabei der Hub und die Dauer des Einlassventilprofils verlängert werden, wenn die Motorlast zunimmt.
  10. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Betreiben der Brennkraftmaschine in der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung umfasst, dass die Einlassventil-Steuerzeiten auf früh eingestellt werden, wenn die Motorlast zunimmt, und dass die Auslassventil-Steuerzeigen unter Verkürzen des Hubs und der Dauer des Auslassventilprofils während des Neuöffnungsereignisses auf früh eingestellt werden, wenn die Motorlast zunimmt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Betriebsarten der Brennkraftmaschine durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert werden, die sowohl eine Vorwärtskopplungssteuerung bzw. Steuerung als auch eine Rückkopplungsregelung bzw. Regelung umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bereitstellen eines Zündfunkens in der Verbrennungskammer für wenigstens einen Abschnitt der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die eine Verbrennungskammer besitzt und durch eine elektronische Steuereinheit steuerbar ist, die eine Steuerung mit mehreren Verweistabellen und eine Regelung umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt; Betreiben der Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt; Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer bzw. des Schließwinkels und/oder der variablen Ventilbetätigung; Steuern des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder des Einlassluft-Sauerstoffprozentsatzes und/oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder die Zündfunken-Verweildauer und/oder den Zündzeitpunkt und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite; Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt: Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder der variablen Ventilbetätigung und/oder für die Abgasrückführung und/oder für die Drosselklappenstellung; Steuern des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer über die Regelung anhand des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder der Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite und außerdem Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die Drosselklappenstellung und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Abgasrückführung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Zündfunken-Verweildauer bzw. den Schließwinkel und/oder die variable Ventilbetätigung; Steuern des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung; anschließend, Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt hoher Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und/oder des Zündzeitpunkts und/oder der Zündfunken-Verweildauer und/oder der variablen Ventilbetätigung und/oder für die Abgasrückführung und/oder für die Drosselklappenstellung; und Steuern der Werte des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder des Einlassluft-Sauerstoffprozentsatzes und/oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder die Zündfunken-Verweildauer und/oder den Zündzeitpunkt und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Übergehen zwischen dem Abschnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung und dem Abschnitt hoher Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, indem über die Regelung Werte für den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder den Einlassluft-Sauerstoffprozentsatz und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite gesteuert werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Übergehen zwischen der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung und der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung sowie zwischen der ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung und der gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, indem über die Regelung Werte für den Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer und/oder den Einlassluft-Sauerstoffprozentsatz und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die Abgasrückführung und/oder die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder die Kraftstoffeinspritz-Impulsbreite gesteuert werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Abgasrekompression während eines ersten Abschnitts des Abschnitts niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Zündfunken-Verweildauer bzw. den Schließwinkel und/oder die variable Ventilbetätigung; Steuern des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung; Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der erneuten Belüftung mit Abgas während eines zweiten Abschnitts des Abschnitts niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; Liefern von Steuerungs-Sollwerten über die mehreren Verweistabellen an die Brennkraftmaschine für die Kraftstoffeinspritzungs-Impulsbreite und/oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Zündfunken-Verweildauer und/oder die variable Ventilbetätigung; und Steuern des Ortes des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über die Regelung anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Übergehen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Abschnitts niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, indem über die Regelung der Ort des Spitzendrucks in der Verbrennungskammer anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung gesteuert wird und über die Regelung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand von Werten für die variable Ventilbetätigung und/oder die Drosselklappenstellung gesteuert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Steuerung Ratenbegrenzer umfasst, um eine dynamische Kompensation zu verschaffen.
  20. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Regelung in einer Betriebsart mit mehreren Eingaben und mehreren Ausgaben betreibbar ist.
  21. Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer, ein Einlassventil mit einem Einlassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, und ein Auslassventil mit einem Auslassventilprofil, das einen Hub, einen Zeitpunkt und eine Dauer definiert, besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Brennkraftmaschine in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung, wenn die Motorlast bei oder unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt; Betreiben der Brennkraftmaschine in einer ungedrosselten Betriebsart der Funkenzündung mit Laststeuerung, wenn die Motorlast über dem ersten vorgegebenen Wert und unter einem zweiten vorgegebenen Wert liegt; und Betreiben der Brennkraftmaschine in einer gedrosselten Betriebsart der Funkenzündung, wenn die Motorlast bei oder über dem zweiten vorgegebenen Wert liegt; Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem im Allgemeinen stöchiometrisch mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Ab schnitt niedriger Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung; und anschließend Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem im Allgemeinen stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen Abschnitt hoher Motorlast der Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung.
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