DE112006002631B4

DE112006002631B4 - Kraftstoffanpassung in einem Kompressionszündungsmotor mit homogener Ladung

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Publication number: DE112006002631B4
Application number: DE112006002631.3T
Authority: DE
Inventors: James A. Eng; William R. Leppard; Paul M. Najt; Tang-Wei Kuo
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2026-10-04
Also published as: CN101321939A; DE112006002631T5; WO2007044287A2; CN101321939B; US7337762B2; US20070119417A1; WO2007044287A3

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die Verbrennungskammern mit veränderlichem Volumen, die durch Kolben definiert sind, die innerhalb der Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehen, und veränderlich zu betätigende Einlass- und Auslassventile enthält, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Einlass- und Auslassventile auf eine negative Nennventilüberlappung; Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge während einer Rekompressionsphase bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen; Einstellen der Einlass- und Auslassventile abweichend von der negativen Nennventilüberlappung auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung, gekennzeichnet durch das Einstellen der Rekompressions-Kraftstoffeinspritzzeit oder der Rekompressionseinspritzmasse auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung, wenn vorgegebene Ventileinstellungsgrenzwerte erreicht sind oder wenn weitere Ventileinstellungen Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungseinstellung nicht verringern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Regelung und eine Steuervorrichtung zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die Verbrennungskammern mit veränderlichem Volumen, die durch Kolben definiert sind, die innerhalb der Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehen und veränderlich zu betätigende Einlass- und Auslassventile enthält, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Einlass- und Auslassventile auf eine negative Nennventilüberlappung, Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge während einer Rekompressionsphase bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen und Einstellen der Einlass- und Auslassventile abweichend von der negativen Nennventilüberlappung auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Bemühen, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, Emissionsvorschriftziele zu erfüllen oder zu überbieten und Verbrauchererwartungen hinsichtlich Emissionen, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Produktdifferenzierung zu erfüllen oder zu überbieten, sucht die Kraftfahrzeugindustrie ständig nach neuen Wegen, den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die meisten modernen herkömmlichen Brennkraftmaschinen versuchen, um stöchiometrische Bedingungen zu arbeiten. Das heißt, es wird ein optimales Luft/Kraftstoff-Verhältnis von im Wesentlichen 14,6 zu 1 bereitgestellt, das zu einem im Wesentlichen vollständigen Verbrauch des an den Motor gelieferten Kraftstoffs und Sauerstoffs führt. Dieser Betrieb ermöglicht die Abgasnachbehandlung durch Dreiwegekatalysatoren, die von irgendwelchem nicht verbrauchten Kraftstoff (HC) und von irgendwelchen nicht verbrauchten Verbrennungsnebenprodukten wie etwa Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) reinigen. Die meisten modernen Motoren arbeiten mit Kraftstoffeinspritzung und besitzen entweder eine Zentraleinspritzung (TBI) oder eine Mehrpunktkraftstoffeinspritzung (MPFI), bei der sich jede von mehreren Einspritzdüsen in der Nähe eines Einlassschlitzes bei jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors befindet. Eine bessere Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung wird mit einer MPFI-Anordnung erzielt; wobei aber Bedingungen wie etwa die Wandbenetzung und die Ansaugkanaldynamik die Genauigkeit begrenzen, mit der diese Steuerung erzielt wird. Die Kraftstoffzufuhrgenauigkeit kann durch Zylinderdirekteinspritzung (DI) verbessert werden. Sogenannte Sauerstofflinearsensoren schaffen einen höheren Grad an Steuerfähigkeit und legen, wenn sie mit der DI gekoppelt werden, ein attraktives System mit verbesserter Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerfähigkeit von Zylinder zu Zylinder nahe. Allerdings wird dann die Zylinderverbrennungsdynamik wichtiger und spielt die Verbrennungsqualität eine zunehmend wichtige Rolle beim Steuern der Emissionen. Somit konzentrieren sich die Motorhersteller auf solche Dinge wie Einspritzdüsensprühmuster, die Einlassverwirbelung und die Kolbengeometrie, um eine verbesserte Zylinder-Luft/Kraftstoff-Mischung und -Homogenität zu bewirken.
Obgleich der stöchiometrische Benzinviertaktmotor und Dreiwegekatalysatorsysteme das Potential haben, äußerst niedrige Emissionsziele zu erfüllen, bleibt die Effizienz dieser Systeme hinter sogenannten Magersystemen zurück. Magersysteme zeigen außerdem die Aussicht auf die Erfüllung von Emissionszielen für NOx über Verbrennungssteuerungen einschließlich hoher Abgasverdünnung und entstehender NOx-Nachbehandlungstechnologien. Allerdings stehen Magersystemen immer noch weitere Hürden, z. B. die Verbrennungsqualität und die Verbrennungsstabilität, insbesondere bei Teillastarbeitspunkten, und die hohe Abgasverdünnung, entgegen.
Magermotoren umfassen auf der untersten Ebene alle Brennkraftmaschinen, die mit Luft betrieben werden, die über die für die Verbrennung der bereitgestellten Kraftstoffladung erforderliche hinausgeht. Eine Vielzahl von Kraftstoffbeaufschlagungs- und Zündungsmethodiken differenzieren die Magertopologien. Funkengezündete Systeme (SI) beginnen die Verbrennung durch Bereitstellen einer elektrischen Entladung in der Verbrennungskammer. Kompressionszündungssysteme (CI) beginnen die Verbrennung mit Verbrennungskammerbedingungen, die Kombinationen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, der Temperatur und des Drucks u. a. enthalten. Kraftstoffbeaufschlagungsverfahren können TBI, MPFI und DI umfassen. Systeme mit homogener Ladung sind durch sehr konsistente und gut verdampfte Kraftstoffverteilung in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch charakterisiert, wie sie durch MPFI oder Direkteinspritzung früh in dem Ansaugzyklus erzielt werden kann. Schichtladungsverbrennungssysteme sind durch weniger gut verdampften und verteilten Kraftstoff in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch charakterisiert und sind üblicherweise der Direkteinspritzung von Kraftstoff spät in dem Verdichtungstakt zugeordnet.
Bekannte Benzin-DI-Motoren können wahlweise gemäß der Betriebsart mit homogener Funkenzündung oder der Schichtladungszündungs-Betriebart betrieben werden. Eine Betriebsart mit homogener Funkenzündung wird im Allgemeinen für Bedingungen höherer Last ausgewählt, während eine Schichtladungszündungs-Betriebsart im Allgemeinen für Bedingungen niedrigerer Last ausgewählt wird.
Bestimmte DI-Kompressionszündungsmotoren nutzen ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus Heißluft und Kraftstoff und stellen während der Motorverdichtungszyklen Druck- und Temperaturbedingungen her, die eine Zündung ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Funkenenergie veranlassen. Dieser Prozess wird gelegentlich gesteuerte Selbstzündung oder Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogenous charge compression ignition) (HCCI) genannt. Die gesteuerte Selbstzündung und die HCCI können austauschbar verwendet werden. Die gesteuerte Selbstzündung ist ein vorhersagbarer Prozess und unterscheidet sich somit von nicht vorhersagbaren Vorzündungsereignissen, die Funkenzündungsmotoren gelegentlich zugeordnet sind. Die gesteuerte Selbstzündung unterscheidet sich außerdem von der gut bekannten Kompressionszündung in Dieselmotoren, in denen Kraftstoff im Wesentlichen unmittelbar auf die Einspritzung in eine hoch vorverdichtete Hochtemperaturluftladung zündet, während die Heißluft und der Kraftstoff in dem gesteuerten Selbstzündungsprozess vor der Verbrennung während Einlassereignissen und im Allgemeinem mit Kompressionsprofilen, die mit herkömmlichen funkengezündeten Viertaktmotorsystemen vereinbar sind, miteinander gemischt werden.
Es sind Viertakt-Brennkraftmaschinen vorgeschlagen worden, die eine Selbstzündung schaffen, indem sie die Bewegung der einer Verbrennungskammer zugeordneten Einlass- und Auslassventile steuern, um sicherzustellen, dass eine Luft/Kraftstoff-Ladung mit verbrannten Gasen gemischt wird, um ohne die Notwendigkeit des äußeren Vorheizens der Einlassluft oder der Zylinderladung oder von hohen Kompressionsprofilen für die Selbstzündung geeignete Bedingungen zu erzeugen. Diesbezüglich sind bestimmte Motoren mit einem nockenbetätigten Auslassventil vorgeschlagen worden, das wesentlich später in dem Viertaktzyklus geschlossen wird, als es in einem funkengezündeten Viertaktmotor herkömmlich ist, um eine wesentliche Überlappung des offenen Auslassventils mit einem offenen Einlassventil zuzulassen, wodurch zuvor ausgestoßene verbrannte Gase früh während des Ansaugzyklus in die Verbrennungskammer zurückgezogen werden. Es sind bestimmte weitere Motoren vorgeschlagen worden, die ein Auslassventil aufweisen, das wesentlich später in dem Ausstoßzyklus geschlossen wird, wodurch verbrannte Gase für die nachfolgende Mischung mit Kraftstoff und Luft während des Ansaugzyklus eingefangen werden. In diesen beiden Motoren werden die Auslass- und Einlassventile in jedem Viertaktzyklus nur einmal geöffnet. Es sind bestimmte weitere Motoren vorgeschlagen worden, bei denen das Auslassventil während jedes Viertaktzyklus zweimal – einmal zum Ausstoßen verbrannter Gase aus der Verbrennungskammer in den Abgaskanal während des Ausstoßzyklus und einmal zum Zurückziehen verbrannter Gase aus dem Abgaskanal in die Verbrennungskammer spät während des Ansaugzyklus – geöffnet wird. Diese Maschinen nutzen verschiedentlich Zentraleinspritzung, Schlitzeinspritzung oder Verbrennungskammer-Kraftstoffdirekteinspritzung.
So vorteilhaft diese Magermotorsysteme zu sein scheinen, gibt es insbesondere bei Teillastarbeitspunkten und hoher Abgasverdünnung weiter bestimmte Nachteile in Bezug auf Verbrennungsqualität und Verbrennungsstabilität. Solche Nachteile führen zu unerwünschten Kompromissen einschließlich Beschränkungen daran, wie stark eine Kraftstoffladung während Teillastarbeitspunkten effektiv verringert werden kann, während weiter akzeptable Verbrennungsqualitäts- und Verbrennungsstabilitätseigenschaften aufrechterhalten werden. Als ein weiterer verkomplizierender Faktor können Änderungen kommerziell verfügbarer Kraftstoffe insbesondere bei Niederlast-Betriebsbereichen ebenfalls ausgeprägte Wirkungen auf die Verbrennungsstabilität haben.
In der DE 103 59 053 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art, die betriebspunktabhängig mit Kompressionszündung oder mit Fremdzündung betrieben wird, offenbart. Dabei wird während eines Kompressionszündungsmodus Abgas im Brennraum zurückgehalten, das während eines Ladungswechsels komprimiert wird. Eine erste Kraftstoffmenge wird in das zurückgehaltene Abgas eingespritzt, worauf nachfolgend dem Brennraum eine zweite Kraftstoffmenge zugeführt wird. Das im Brennraum gebildete, homogene Kraftstoff/Luft-Gemisch wird später mittels einer Kompression vorzugsweise im Bereich eines oberen Zünd-Totpunkts gezündet. Mit einer im Brennraum angeordneten Ionenstromsonde wird ein Ionenstromsignal während des Ladungswechsels erfasst, wobei in Abhängigkeit vom ermittelten Ionenstromsignal der Zeitpunkt einer Kompressionszündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich eines oberen Zünd-Totpunkts diagnostiziert wird. Die erste Kraftstoffmenge wird zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils, insbesondere zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem oberen Ladungswechsel-Totpunkt eingespritzt. Aus dem erfassten Ionenstromsignal lässt sich die Schwerpunktslage der Verbrennung, d. h. die Lage eines 50%-Massenumsatzpunkts, der aktuellen Verbrennung, ermitteln bzw. abschätzen. Mit Hilfe der abgeschätzten Lage des 50%-Massenumsatzpunkts einer aktuellen Verbrennung wird der aktuell zu erwartende Wert mit einem im Steuergerät gespeicherten Wert verglichen. Liegt eine Abweichung von einem bestmöglichen bzw. Idealwert vor, dann wird bei einem darauffolgenden Zyklus der Ablauf der Verbrennung mittels einer Anpassung von Betriebsparametern, z. B. die Gemischtemperatur und/oder die Zusammensetzung des Gemisches so geändert, dass ein optimales Brennverhalten vorliegt. Die Veränderung der Temperatur kann beispielsweise mittels Variation der zurückgehaltenen Abgasmenge vorgenommen werden, wobei die Zusammensetzung des Gemisches durch eine Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmengen angepasst werden kann. Der Selbstzündungszeitpunkt des Kraftstoff/Luft-Gemischs lässt sich in Abhängigkeit von einem Mengenverhältnis der ersten zur zweiten Kraftstoffmenge einstellen. Hierdurch lässt sich die Lage der Verbrennung so verschieben, dass sich ein vorteilhafter Verbrennungsablauf ergibt.
In der DE 102 15 674 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung offenbart, bei dem die Zufuhr von Verbrennungsluft in einen Brennraum über mindestens ein Einlassventil gesteuert wird, wobei die Abfuhr von Abgas aus dem Verbrennungsraum über mindestens ein Auslassventil gesteuert wird. Mittels einer im Brennraum angeordneten Ionenstromsonde wird ein Ionenstromsignal erfasst, mit dem eine Lage des 50%-Massenumsatzpunktes in einem Betriebspunkt ermittelt wird, wobei die ermittelte Lage des 50%-Massenumsatzpunktes durch einen in einer Motorsteuerung abgespeicherten und betriebspunktabhängigen Korrekturwert verändert wird, so dass eine durch die Position der Ionensonde im Brennraum verursachte Verzerrung oder Abweichung der ermittelten Lage des 50%-Massenumsatzpunktes ausgeglichen wird. Zur Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunktes wird ein Massenumsatzpunkt eines unmittelbar vorangegangenen Verbrennungszyklus herangezogen. Durch eine Variation der Ventilsteuerzeiten und/oder einer Kraftstoffeinspritz-Strategie lassen sich Betriebsparameter wie Kenngrößen eines im Brennraum gebildeten Gemischs anpassen.
In der DE 199 52 096 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung offenbart, die folgende Stellgrößen y liefernde Stellglieder zur Steuerung eines mehrzyklischen Prozesses umfasst: Variabel ansteuerbare Einlass- und Auslassventile, eine Einspritzanlage zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum oder zum Einspritzen in ein Ansaugrohr und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung des Verbrennungsprozesses, wobei die variabel ansteuerbaren Einlass- und Auslassventile und die Einspritzanlage durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung derart ansteuerbar sind, dass in Abhängigkeit eines Zeitpunktes der 50%-Umsetzung der eingespritzten Brennstoffmasse während eines Zyklusses als Stellgrößen y ein bestimmtes Luftverhältnis Lambda, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck und eine bestimmte Einspritzmenge zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder des Schwerpunktes der Verbrennung für den jeweils nächsten Zyklus erzeugbar sind. Der motorische Prozess ist vorzugsweise ein Viertakt-Prozess und wenigstens ein Einlassventil und ein Auslassventil der variabel ansteuerbaren Einlass- und Auslassventile einer Kolben-Zylindereinheit sind durch die Steuer- und Regeleinheit derart ansteuerbar, dass das Auslassventilöffnen vor einer zwischen einem Ausstoß- und einem Ansaugtakt liegenden, oberen Ladungswechsel-Totlage eines Kolbens und das Auslassventilschließen nach dieser oberen Ladungswechsel-Totpunktlage im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einlassventilöffnen stattfinden, um Abgas von einem Brennraum der Kolben-Zylindereinheit durch das geöffnete Auslassventil in einen Auslasskanal zu schieben und danach vom Auslasskanal wieder in den Brennraum zurückzusaugen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Viertakt-Magerbrennkraftmaschine vorzuschlagen, die bei Teillast-Arbeitspunkten eine hohe Verbrennungsstabilität zeigt und die den Magerbetrieb in bisher unerreichte Teillast-Arbeitspunktbereiche erweitern kann. Des Weiteren soll eine stabile Steuerung der Kompressionszündung mit homogener Ladung unter Verwendung kommerziell verfügbarer, vollständig gemischter Benzinkraftstoffe mit weiten Bereichen von Oktanqualitäten ermöglicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 3 und 4.
Die vorliegende Erfindung schafft diese und weitere erwünschte Aspekte in einem Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit erweiterter Fähigkeit bei niedrigen Motorlasten, während sie die Verbrennungsqualität, die Verbrennungsstabilität und die Motorausgabeemissionen, insbesondere im Licht der Veränderlichkeit kommerzieller Kraftstoffe, aufrechterhält oder verbessert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Einzylinder-Direkteinspritzungs-Viertaktbrennkraftmaschine ist;
2 die Prozent Stichproben als Funktion von OI mit K = 2,0 für Normal-, Zwischen- und Superbenzinkraftstoffe in Nordamerika einschließlich Sommer- und Winterperioden veranschaulicht;
3 die Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannt (CA50) gegenüber der NVO für die Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus während des NVO-Wobbelns veranschaulicht;
4 eine graphische Darstellung der Kurbelwinkelstellung von 10% verbrannt (CA10) gegenüber der Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannt (CA50) für die Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus während des NVO-Wobbelns veranschaulicht;
5 den COV des IMEP gegenüber der Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannt (CA50) für die Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus während des NVO-Wobbelns veranschaulicht;
6 den gemessenen mittleren Nettoeffektivdruck (NMEP) gegenüber der Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannt (CA50) für die Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus während des NVO-Wobbelns veranschaulicht;
7 die NVO-Anforderung für alle getesteten Kraftstoffe mit 8 mg/Zyklus veranschaulicht, sodass die CA50 auf 4 Grad nach OT Verbrennungstakt (aTDC) aufrechterhalten wird;
8 die Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannt (CA50) gegenüber der NVO für die Testkraftstoffe mit 14 mg/Zyklus während NVO-Wobbeln veranschaulicht;
9 die NVO-Anforderung für optimale CA50 für alle getesteten Kraftstoffe mit 8 und 14 mg/Zyklus veranschaulicht;
10 den bei der Rekompression verbrannten Kraftstoff als Funktion der bei der Rekompression eingespritzten Masse sowohl für Kraftstoff A als auch für Kraftstoff E im heißen Leerlauf, –5,5 mg/Zyklus, veranschaulicht;
11 CA50 @ NVO = 170 Grad als Funktion des Oktanindex (OI) mit K = 2,1 für alle Testkraftstoffe mit 8,0 mg/Zyklus veranschaulicht;
12 CA50 @ NVO = 130 Grad als Funktion des OI mit K = 1,9 für alle Testkraftstoffe mit 14 mg/Zyklus veranschaulicht;
13 ein schematisches Steuerdiagramm veranschaulicht, mit dem bei Änderungen der Kraftstoffoktanqualitäten eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten wird; und
14 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines Steuerschemas veranschaulicht, das eine Ventilsteuerung und eine Kraftstoff-Zeiteinstellungs/Mengen-Steuerung nutzt, um eine gewünschte Verbrennungsphaseneinstellung in Anwesenheit einer Kraftstoffveränderlichkeit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bewirken.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Zunächst anhand von 1 ist schematisch ein beispielhaftes Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschinensystem (ein beispielhafter Einzylinder-Viertaktmotor) 10 veranschaulicht, das (der) für die Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Es sollte gewürdigt werden, dass die vorliegende Erfindung auf eine Mehrzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine gleichfalls anwendbar ist. Der vorliegende beispielhafte Motor 10 ist für die Kammerdirekteinspritzung (Direkteinspritzung) des Kraftstoffs gegenüber der Kraftstoffeinspritzdüse 41 konfiguriert gezeigt. Alternative Kraftstoffbeaufschlagungsstrategien einschließlich Schlitzkraftstoffeinspritzung oder Zentralkraftstoffeinspritzung können in Verbindung mit bestimmten gesteuerten Selbstzündungsmotoren ebenfalls verwendet werden; wobei der bevorzugte Zugang aber die Direkteinspritzung ist. Obgleich umfassend verfügbare Qualitäten von Benzin und Leichtethanolgemischen davon bevorzugte Kraftstoffe sind, können in diesen Motoren ähnlich alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe wie etwa höhere Ethanolgemische (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase usw. ebenfalls verwendet werden.
In Bezug auf den Grundmotor ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 13 beweglich und definiert darin eine Verbrennungskammer 15 mit veränderlichem Volumen. Der Kolben 11 ist über eine Pleuelstange 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden und treibt wechselweise eine Kurbelwelle 35 an oder wird durch sie angetrieben. Außerdem enthält der Motor 10 einen Ventiltrieb 16, der mit einem einzelnen Einlassventil 21 und mit einem einzelnen Auslassventil 23 veranschaulicht ist, obgleich mehrere Einlassund Auslassventiländerungen gleichfalls für die Nutzung mit der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. Außerdem enthält der Ventiltrieb 16 eine Ventilbetätigungsvorrichtung 25, die irgendeine einer Vielzahl von Formen einschließlich elektrisch gesteuerter hydraulischer oder elektromechanischer Betätigung (anderweitig bekannt als vollständig flexible Ventilbetätigung FFVA) annehmen kann. Alternative Ventilbetätigungsvorrichtungen, die zur Realisierung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung anpassbar sind, enthalten Mehrprofilnocken (anderweitig bekannt als Mehrnasen, Mehrstufennocken) und Auswahlmechanismen, Nockenphasensteller und andere mechanisch veränderliche Ventilbetätigungstechnologien, die einzeln oder zusammen realisiert sind. Ein Zweistufenventiltrieb mit Zweinocken-Phasenlageneinstellung, der geeignet ist, die hier offenbarten Ventilsteuerungen zu bewirken, enthält erste Auslass- und Einlassnocken zum Bewirken der Nenndauer- und -hubprofile, zweite Auslass- und Einlassnocken zum Bewirken begrenzterer Dauer- und Hubprofile und doppelte, unabhängige Nockenphasensteller. Der Einlasskanal 17 liefert Luft in die Verbrennungskammer 15. Der Strom der Luft in die Verbrennungskammer 15 wird während Einlassereignissen durch das Einlassventil 21 gesteuert. Verbrannte Gase werden durch den Auslasskanal 19 aus der Verbrennungskammer 15 ausgestoßen, wobei die Strömung während Auslassereignissen durch das Auslassventil 23 gesteuert wird. Die Zündkerze 29 wird verwendet, um die Zündzeiteinstellungssteuerung des Motors unter bestimmten Bedingungen (z. B. während eines Kaltstarts und in der Nähe des Niederlastbetriebs-Grenzwerts) zu verbessern. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, sich in der Nähe des hohen Teillastbetriebs-Grenzwerts unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung und während Hochgeschwindigkeits-/Hochlastbetriebsbedingungen mit gedrosseltem oder nicht gedrosseltem SI-Betrieb auf die Funkenzündung zu stützen.
Die Motorsteuerung wird durch eine computergestützte Steuerung 27 bereitgestellt, die die Form herkömmlicher Hardwarekonfigurationen und -kombinationen einschließlich Antriebsstrangsteuereinheiten, Motorsteuereinheiten und digitaler Signalprozessoren in integrierten oder verteilten Architekturen annehmen kann. Im Allgemeinen enthält die Steuerung 27 wenigstens einen Mikroprozessor, ROM, RAM und verschiedene E/A-Vorrichtungen einschließlich A/D- und D/A-Umsetzer und eine Motorantriebsschaltungsanordnung. Außerdem enthält die Steuerung 27 genauer Steuerungen für die Ventilbetätigungsvorrichtung 25, für die Kraftstoffeinspritzdüse 41 und für die Zündkerze 29. Die Steuereinheit 27 umfasst die Überwachung mehrerer motorbezogener Eingaben von mehreren gewandelten Quellen einschließlich Motorkühlmitteltemperatur, Außenlufttemperatur, Krümmerlufttemperatur, Betreiberdrehmomentanforderungen, Umgebungsdruck, Krümmerdruck in gedrosselten Anwendungen, Verschiebungs- und Positionssensoren wie etwa für den Ventiltrieb und für Motorkurbelwellengrößen, Zylinderdruck, Abgasbestandteile und umfasst ferner die Erzeugung von Steuerbefehlen für eine Vielzahl von Stellgliedern sowie die Ausführung allgemeiner Diagnosefunktionen. Bekannte Zylinderdrucksensoren können den Verbrennungsdruck direkt, z. B. über betriebsunterbrechende oder nicht betriebsunterbrechende Drucksensoren, oder indirekt, z. B. über Ionenabtastung oder das Kurbelwellendrehmoment, abtasten. Obgleich die der Ventilbetätigungsvorrichtung 25, der Kraftstoffeinspritzdüse 41 und der Zündkerze 29 zugeordnete Steuer- und Leistungselektronik einteilig mit der Steuerung 27 sein kann, kann diese ebenfalls als Teil eines verteilten intelligenten Betätigungsschemas integriert sein, wobei eine bestimmte Überwachungs- und Steuerfunktionalität in Bezug auf jeweilige Teilsysteme durch programmierbare verteilte Steuereinheiten realisiert wird, wie sie solchen jeweiligen Ventil-, Kraftstoffsteuerungs- und Zündungsteilsystemen zugeordnet sind.
Es wurden insgesamt 7 verschiedene Kraftstoffe (als Kraftstoff A bis Kraftstoff G bezeichnet) getestet, wobei die Abgasrekompressionsventilstrategie bei drei verschiedenen Ladungsbedingungen von 5,5, 8,0 und 14 mg/Zyklus verwendet wurde. Die drei Kraftstoffbeaufschlagungen/Ladungen umfassen alle drei HCCI-Verbrennungsbetriebsarten: mager mit Aufteilungseinspritzung, wie sie z. B. im gemeinsam übertragenen Patent der Vereinigten Staaten US 6 971 365 B1 offenbart ist, mager mit Einzeleinspritzung, wie sie z. B. in der US 2006/0016423 offenbart ist, und stöchiometrisch mit Aufteilungseinspritzung, wie sie z. B. in dem gemeinsam übertragenen Patent der Vereinigten Staaten US 6 994 072 B2 offenbart ist.
Es ist gut bekannt und akzeptiert, dass die Research- und die Motoroktanzahl (RON und MON) allein das Klopf-(Selbstzündungs-)verhalten kommerzieller Kraftstoffe in herkömmlichen Glühzündungsmotoren nicht angemessen beschreiben. Allerdings wurde in der üblichen Praxis eine Kombination von ihnen, (RON + MON)/2, die Oktanzahl genannt, zum Klassifizieren der Klopffestigkeitsqualität eines praktischen Kraftstoffs verwendet.
2001 schlug Kalghatgi von Shell Research einen Oktanindex (OI) zur besseren Beschreibung des Kraftstoffklopfverhaltens in Übereinstimmung mit den folgenden Beziehungen vor. OI = RON – K·S, mit S (Empfindlichkeit) = RON – MON (1) oder OI = (1 – K)RON + K MON. (2)
Kalghatgi zeigte eine gute lineare Korrelation zwischen klopfbegrenzter Zündverstellung nach früh und dem OI in einem Einzylindermotor und Beschleunigungszeiten und dem OI in mit Klopfsensor ausgestatteten Fahrzeugen.
2003 erweiterte Kalghatgi seine K-Faktor-Analyse auf HCCI-Motoren, die bei den folgenden Motorbedingungen eine gute Korrelation zwischen CA50 und OI zeigen.
CR = 16,7 und 13,6,
PIVC = 1 und 2 bar,
mehrere TIVC,
mehrere Lambdas,
4 Drehzahlen,
11 verschiedene Kraftstoffe und
K Werte im Bereich von –1,90 bis 0,41.
2003 erweiterte Kalghatgi seine K-Faktor-Analyse weiter, sodass sie den HCCI-Motor von Shell enthält, der bei höheren Einlasstemperaturen läuft, und nahm weitere ”Benzin”-artige Kraftstoffe auf. Die folgenden Motorbedingungen entsprechen diesem Motor.
Ein Zylinder,
PFI,
feste Nocken,
keine AGR,
CR = 14,0,
PIVC = 1,
3 TIVC,
mehrere Lambdas,
3 Drehzahlen und
12 verschiedene Kraftstoffe (4-PRFs, 3-Toluol/Hexan-Gemische, 4-Raffierie-Mischkomponenten, ein vollständig gemischtes Benzin).
Zusammengefasst kann gemäß Kalghatgis ”K”-Faktor-Analyse die Selbstzündungsqualität eines praktischen Kraftstoffs unter Verwendung des Oktanindex OI = RON – K·(RON – MON) korreliert werden, wobei RON und MON die Research- und die Motoroktanzahl sind. K ist eine Konstante, die nur von der Druck- und Temperaturänderung in dem Motor abhängt und sich mit Motorentwurfsparametern wie etwa dem Kompressionsverhältnis ändert. Während die Kompressionstemperatur in dem unverbrannten Gas bei einem gegebenen Druck in dem Motor abnimmt, nimmt K ab und kann negativ sein, falls diese Temperatur niedriger als in dem RON Test ist.
Bei der Realisierung der Ventil- und Kraftstoffbeaufschlagungssteuerungen und bei der Erfassung der verschiedenen hier verkörperten Daten wurde eine Viertakt-Einzylinder-0,55-Liter-Benzindirekteinspritzungs-Brennkraftmaschine mit gesteuerter Selbstzündung genutzt. Soweit nicht speziell anders diskutiert, wird angenommen, dass alle Realisierungen und Erfassungen unter Standardbedingungen ausgeführt werden, wie sie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet versteht.
Nachdem somit die Umgebung und bestimmte Anwendungshardware, die für die Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, beschrieben worden sind, wird die Aufmerksamkeit nun auf 2 gelenkt. 2 zeigt die graphische Darstellung der Prozent der in Nordamerika als Stichprobe genommenen Kraftstoffe einschließlich während Sommer- und Winterperioden gegenüber dem Oktanindex (OI = RON – K·(RON – MON)) mit K = 2 (der Grund für die Wahl von 2 wird später erläutert). Es wurde eine Summe von 1870 Stichproben gesammelt, die Normal-, Zwischen- und Superbenzin enthielten. Es sind die Testkraftstoffe der Anmelder, Kraftstoffe D, Kraftstoff A und Kraftstoff E, angegeben, die einen weiten OI-Bereich der als Stichprobe genommenen Kraftstoffe umfassten.
3 zeigt die Änderungen der CA50 als Funktion der NVO für alle Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die CA50 mit zunehmender NVO nahezu linear fortschreitet. Insbesondere führte eine Erhöhung der NVO um 20 Grad zum Fortschreiten der CA50 um 4 Grad. Außerdem zeigt der Basiskraftstoff der Anmelder, Kraftstoff A, eine CA50-NVO-Beziehung, die für den Durchschnitt aller getesteten Kraftstoffe repräsentativ ist.
Ferner wird für feste CA50 für alle getesteten Kraftstoffe eine Spanne der NVO von ±10 Grad beobachtet. Mit anderen Worten, eine NVO-Autorität von ±10 Grad mit der Mitte bei NVO = 160 Grad reicht aus, um unabhängig vom Kraftstoff die optimale Verbrennungsphaseneinstellung bei 8 mg/Zyklus aufrechtzuerhalten.
Wenn alle Leistungs- und Emissionsdaten gegenüber der Kurbelwinkelstellung von 50% verbrannter Masse (CA50) graphisch dargestellt wurden, fielen sie unabhängig von den verwendeten Testkraftstoffen zu einer einzigen Kurve zusammen. Typische Beispiele für die CA10, für den COV des IMEP und für den NMEP sind in den 4–6 gezeigt. Insbesondere führten Änderungen der CA50 von ±2 Grad mit der Mitte um den Optimalwert bei 4 Grad aTDC zu weniger als 1% Verringerung des NMEP. Mit anderen Worten, für Verbrennungsphaseneinstellungen in der Nähe des Optimalwerts ist die Änderung des NMEP mit der CA50 minimal. Somit reicht für praktische Anwendungen eine Spanne von 10 Grad NVO (1600 ± 5 Grad) aus, um den NMEP innerhalb 1% zu steuern.
In 7 ist für alle Testkraftstoffe die geforderte NVO für die optimale Verbrennungsphaseneinstellung bei 4 Grad aTDC Verbrennung gezeigt. Aus der Figur ist zu sehen, dass der Kraftstoff E die strengste NVO-Anforderung aufweist.
8 zeigt die Änderungen der CA50 als Funktion der NVO für alle Testkraftstoffe mit einem Kraftstoffgrad von 14 mg/Zyklus. Aus der Figur ist Folgendes zu sehen: 1) die CA50 schreitet mit zunehmender NVO nahezu linear fort. Insbesondere führten 10 Grad Zunahme der NVO zu 6 Grad Fortschreiten der CA50. Die Empfindlichkeit zwischen der CA50 und der NVO ist für 14 mg/Zyklus höher als für 8 mg/Zyklus. 2) Für feste CA50 mit 8 Grad aTDC wird für alle getesteten Kraftstoffe eine Spanne der NVO von ±7 Grad beobachtet. 3) Um den gesamten getesteten Testkraftstoff zu berücksichtigen, ist eine NVO-Autorität von ±7 Grad notwendig.
In 9 ist die geforderte NVO für optimale CA50 für alle Testkraftstoffe mit 8 und 14 mg/Zyklus-Testpunkten gezeigt. Im Allgemeinen fordern die Kraftstoffe mit höherer geforderter NVO mit 8 mg/Zyklus ebenfalls eine höhere NVO bei 14 mg/Zyklus. Ferner gibt es zwischen den NVO-Anforderungen mit 8 und 14 mg/Zyklus eine gleichbleibende Beziehung, um die beste Verbrennungsphaseneinstellung und somit die beste Motorleistung aufrecht zu erhalten. Die Kenntnis der geforderten Änderungen bei einem Kraftstoffbeaufschlagungsgrad reicht aus, um die notwendigen Änderungen bei allen Kraftstoffbeaufschlagungsgraden vorzunehmen. Unter dem gesamten getesteten Kraftstoff mit 8 mg/Zyklus erfordert der Kraftstoff E die niedrigste NVO, um die optimale Verbrennungsphaseneinstellung bei 4 Grad aTDC zu erreichen. Sie ist etwa 175 Grad (7), was sehr nahe am oberen Grenzwert des Hydrauliknocken-Phasenstellerbetriebs von 190 Grad ist. Um die Anforderung an die NVO für die Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung zu mildern, wurden die Kraftstoffe A und E für die Einspritzstrategieuntersuchung verwendet, um die Wirksamkeit der Verwendung der Einspritzzeiteinstellung und -menge für die Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung nachzuweisen. Zu diesem Zweck wurden sowohl Einzeleinspritzungs- als auch Aufteilungseinspritzungsstrategien bewertet. Insbesondere zeigt 10, dass der bei der Rekompression verbrannte Kraftstoff mit zunehmendem bei der Rekompression eingespritzten Kraftstoff zunimmt, was zu einer höheren Gemischgastemperatur während der Kompression und somit zur Verbrennungsphaseneinstellung nach früh führte. Allerdings nimmt ihre Wirksamkeit mit zunehmendem bei der Rekompression eingespritzten Kraftstoff über 2 mg hinaus ab.
Die Anmelder haben die obigen Ergebnisse aufgelöst, um die folgende Prozedur für eine stationäre HCCI-Motorverbrennungs-Phaseneinstellungssteuerung vorzuschlagen, um Kraftstoffänderungen zwischen 7 und 15 mg/Zyklus (180–450 kPa NMEP) zu berücksichtigen.

1. Zunächst wird je nach dem Ladungsgrad eine Nenn-NVO ausgewählt (9).
2. Daraufhin wird die gewünschte CA50 spezifiziert.
3. Es ist die NVO ±5 Grad so einzustellen, wie es erforderlich ist, um die CA50 innerhalb des Zielbereichs mit verschiedenen Kraftstoffen aufrecht zu erhalten.
4. Bei den NVO-Grenzwerten ist der Reformierungs-Kraftstoffbeaufschlagungsgrad so einzustellen, wie es erforderlich ist, um die CA50 innerhalb des Zielfensters zu erhalten.

11 zeigt die experimentell gemessene CA50 @ NVO = 170 für alle Testkraftstoffe mit 8 mg/Zyklus gegenüber dem OI unter Verwendung von k = 2,1. Es wird eine gute lineare Korrelation zwischen der CA50 und dem OI nachgewiesen. Dasselbe ist wahr für den 14 mg/Zyklus-Testpunkt. 12 zeigt die von den Anmeldern gemessene CA50 @ NVO = 130 für alle Testkraftstoffe mit 14 mg/Zyklus gegenüber dem OI unter Verwendung von k = 1,9. Durch Vergleich von 12 mit 11 ist aus beiden Figuren klar, dass für verschiedene Ladungen verschiedene Korrelationen existieren. Allerdings ist aus beiden Figuren ebenfalls klar, dass die Daten der Anmelder durch einen einzelnen Kalghatgi-K-Faktor (~2) bei verschiedenen Ladungen gut korreliert werden.
Die in 11 und 12 gezeigten CA50-OI-Korrelationen sind verwendbar, um vorherzusagen, wie sich kommerziell verfügbare, vollständig gemischte Benzinkraftstoffe (mit bekanntem RON und MON) im HCCI-Motor der Anmelder verhalten. Zum Beispiel kann bei Verwendung des RON und des MON des Kraftstoffs und eines K-Werts gleich 2 die CA50 mit 8 mg/Zyklus unter Verwendung der folgenden Beziehung berechnet werden. CA50 = 0,44 OI – 30,9 (3)
Wegen der Verwendung eines etwas anderen K-Werts unterscheidet sich Gleichung (3) etwas von der in 11 gezeigten Korrelation. Die NVO, die erforderlich ist, um die CA50 an ihren optimalen Ort (4 Grad aTDC) zu bewegen, wird unter Verwendung der folgenden Beziehung mit 8 mg/Zyklus berechnet, die auf der Grundlage der in 3 gezeigten Kraftstoff-A-Daten abgeleitet wird. NVO = 182 – 4,35 CA50 (4)
Da höhere Oktanindizes (OI) gleich einer verzögerten HCCI-Verbrennungsphaseneinstellung sind, sind Kraftstoffe mit höheren Oktanindizes eine Herausforderung. Da OI = RON – 2·Empfindlichkeit ist, sind ferner Kraftstoffe mit hohem RON und niedriger Empfindlichkeit die größte Herausforderung.
13 veranschaulicht schematisch eine Steuermethodik für die HCCI-Motor-Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung zum Kompensieren von Kraftstoffänderungen im Wesentlichen wie folgt.

1. Der primäre Ladungssteuerparameter ist die NVO.
2. Es ist in der Tabelle ein NVO als Funktion der Ladung bei vollständig aufgewärmter Bedingung nachzuschlagen.
3. Die Verbrennungsphaseneinstellung (z. B. LPP oder CA50) ist als Rückkopplungssignal eines geschlossenen Regelkreises zu verwenden.
4. Die CA50 von jedem Zylinder ist mit dem Ziel-CA50-Wert aus der Nachschlagtabelle zu vergleichen.
5. Falls die Zylinder zufällig um die Ziel-CA50 verteilt sind, sind sekundäre Steuerparameter (z. B. Einspritzzeiteinstellung/-menge während der Rekompression, Zündzeiteinstellung usw.) zu verwenden, um die Zylinder fein abzustimmen.
6. Falls ALLE Zylinder gegenüber dem Zielwert versetzt sind, gibt dies eine Verschiebung des Kraftstoff-”Oktanindex” an.
7. Es sind entweder die NVO oder sekundäre Steuerparameter (z. B. Einspritzzeiteinstellung/-menge während der Rekompression, Zündzeiteinstellung usw.) zu verwenden, um die Motordurchschnitts-CA50 einzustellen und um die Tabellen auf der Grundlage der Änderung der geforderten NVO unter Verwendung der Beziehung (4) zu aktualisieren.

Anhand von 14 ist ein spezielleres beispielhaftes Steuerprinzipschaltbild veranschaulicht. Der Motor 10 enthält die Kraftstoffeinspritzdüsen 41 und die Ventilbetätigungsvorrichtung 25. Ein Abschnitt ohne Rückkopplung der Steuerung einschließlich des Ventilsteuerungs-Grundspezifikations-Sollwertkennfelds 101 wird vorzugsweise über bekannte Dynamometertechniken offline kalibriert. Diese Steuerung ohne Rückkopplung kann z. B. tabellierte Einlass- und Auslassventilstellungen umfassen, wie sie in Kalibrierungstabellen gespeichert sind, auf die die Motordrehzahl- und Ladungsdaten Bezug nehmen. Es sind diese Nennventilstellungen, die zum Festsetzen der negativen Grundspezifikationsventilüberlappung NVO 102 verwendet werden. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist der Motor 10 zusätzlich mit einem oder mit mehreren Zylinderdrucksensoren 103 konfiguriert. Das Steuersystem ist so strukturiert, dass es einen Abschnitt mit Rückkopplung zum Einstellen der Nennventilstellungen auf der Grundlage von von Zylinderdrucksensoren 103 abgeleiteten Verbrennungsinformationen 105 enthält. Die NVO-Korrektur verwendet Verbrennungsphaseneinstellungs-Rückkopplungsinformationen 105 (z. B. %-verbrannt-Winkel, Wärmefreisetzungsrate, Verbrennungsdauer, maximale Rate des Druckanstiegs, um nur einige zu nennen) und vergleicht sie mit einem Verbrennungsphaseneinstellungsziel 107, z. B. vom Grundspezifikationsverbrennungs-Phaseneinstellungskennfeld 109. Dieser Vergleich lenkt die Nennventilstellungen vom Ventilsteuerungs-Grundspezifikations-Sollwertkennfeld 101 ab, um die Eingabe des Verbrennungsphaseneinstellungsfehlers 106 in den Ventilsteuerungs-Sollwertoptimierer 111 auf null anzusteuern. Der Begrenzer 113 begrenzt in Übereinstimmung mit den besonderen Hardwarebeschränkungen des Motors, der die Ventilbetätigungsvorrichtung 25 enthält, die Autorität über die Ventileinstellungen. Somit setzt die Steuerung über Einlass- und Auslassventilbetätigungen, die in vorgegebenen Verbrennungsphaseneinstellungen bis zu den Beschränkungen der Ventilbetätigungsvorrichtung einen minimalen Fehler bewirken, eine negative Ventilüberlappung fest.
Zum Beispiel unter Verwendung der Motordrehzahl- und Ladungsdaten wird auf die Ventilstellungsziele und Verbrennungsphaseneinstellungsziele Bezug genommen. In Übereinstimmung mit der Einlasstemperatur, dem Umgebungsdruck, dem Kraftstofftyp usw. kann eine zusätzliche Korrektur ermöglicht werden. Das Grundspezifikations-Verbrennungsphaseneinstellungs-Kennfeld 109 wird vorzugsweise offline über bekannte Dynamometertechniken kalibriert. Die Grundspezifikations-Verbrennungsphaseneinstellungs-Ziele repräsentieren gewünschte Verbrennungscharakteristiken relativ zu mehreren Metriken (z. B. NOx-Emissionen, Verbrennungsgeräusch, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und maximales MBT bei Verdünnungs-/Klopfgrenzwerten für Benzinanwendungen). Dieser Abschnitt mit Rückkopplung der Steuerung hält die gewünschten Verbrennungseigenschaften in Anwesenheit von Änderungen und Störungen einschließlich Änderungen des Kraftstoffs, der dem Motor zugeführt wird, aufrecht. In einer Realisierung ist der Ventilsteuerungs-Sollwertoptimierer 111 ein langsamer Integrator. Mit anderen Worten, der Ventilsteuerungs-Sollwertoptimierer 111 erhöht oder verringert langsam die Ventilsollwerte, falls die erzielte NVO (Verbrennungsphaseneinstellungs-Rückkopplung) 105 weniger oder mehr als erwartet ist.
Die beispielhaften Informationen 105 können im Wesentlichen 50% verbranntem Kraftstoff, z. B. einem Kurbelwinkel von 50% verbranntem Kraftstoff (CA50), entsprechen. Die Informationen 105 können z. B. einem Durchschnitt über alle Zylinder, über einen einzelnen Zylinder oder über eine Bank von Zylindern in Übereinstimmung mit der verfügbaren Motorzylinderdruck-Abtasthardwarekonfiguration und mit Kostenbetrachtungen entsprechen. Außerdem wird die NVO in Bezug auf Ventilbetätigungshardware, die in ihrer Einstellfähigkeit von Einzelzylinder zu Einzelzylinder beschränkt ist (z. B. Nockenphasensteller), notwendig für jeden der Einzelzylinder gleichbleibend festgesetzt. Aus diesem Grund können sich in der Veränderlichkeit der Verbrennungsphaseneinstellungen von Zylinder zu Zylinder andere Verbrennungsänderungsfaktoren von Zylinder zu Zylinder ergeben. Somit gilt im Allgemeinen in Bezug auf eine einzelne NVO-Phaseneinstellung, die auf alle Zylinder anwendbar ist, dass die durchschnittliche Verbrennungsphaseneinstellung über alle Zylinder zu einer minimalen durchschnittlichen Abweichung von der gewünschten Phaseneinstellung führt. Unabhängig zu betätigende Ventile (d. h. vollständig flexible Ventilbetätigung) können Einstellungen der NVO von Einzelzylinder zu Einzelzylinder in Übereinstimmung mit der jeweiligen Zylinderdruckabtastung ermöglichen. Die Abweichung der durchschnittlichen Verbrennungsphaseneinstellung über alle Zylinder von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung wird weiter minimiert. Wie zuvor erwähnt wurde, wird dies alles innerhalb der Grenzwerte der Ventilbetätigungsvorrichtungsautorität ausgeführt.
An den Grenzwerten der Ventilbetätigungsvorrichtungsautorität wird vorzugsweise eine sekundäre Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung realisiert, die insbesondere an Änderungen von Einzelzylinder zu Einzelzylinder anpassbar ist. Zum Beispiel kann die Kraftstoffeinspritzzeiteinstellung in einer Direkteinspritzungs-Kraftstoffvorrichtung auf einer Grundlage von Zylinder zu Zylinder gesteuert werden. In 14 wird ein weiterer Abschnitt der Steuerung ohne Rückkopplung einschließlich des Kraftstoffeinspritzsteuerungs-Grundspezifikations-Sollwertkennfelds 115 vorzugsweise offline durch bekannte Dynamometertechniken kalibriert. Diese Steuerung ohne Rückkopplung kann z. B. eine tabellierte Kraftstoffeinspritzzeiteinstellung umfassen, wie sie in Kalibrierungstabellen gespeichert sind, auf die durch die Motordrehzahl- und Lastdaten Bezug genommen wird. Es sind diese Nennkraftstoffeinspritzzeiteinstellungen, die zum Festsetzen der Grundspezifikations-Kraftstoffeinspritzzeiten 117 verwendet werden. In Übereinstimmung mit der sekundären Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung und vorzugsweise in Übereinstimmung mit Grenzwerten in der Ventilbetätigungsautorität der Ventilstellungssteuerung, wie sie veranschaulicht ist (oder alternativ in Übereinstimmung mit einer Minimalverbrennungsphaseneinstellung, die durch die Ventilsteuerung erfüllt worden ist), stellt ein Regelabschnitt mit Rückkopplung die Zeiteinstellung oder die Masse des Reformierungskraftstoffs auf der Grundlage der von den Zylinderdrucksensoren 103 abgeleiteten Verbrennungsinformationen 105 ein. Die Kraftstoffeinspritzzeiteinstellungs-Korrektur verwendet Verbrennungsphaseneinstellungs-Rückkopplungsinformationen 105 und vergleicht sie mit dem Verbrennungsphaseneinstellungsziel 107. Dieser Vergleich lenkt die Nennkraftstoffeinspritzzeiteinstellung von dem Kraftstoffeinspritzsteuerungs-Grundspezifikations-Sollwertkennfeld 115 ab, um den in den Kraftstoffeinspritzsteuerungs-Sollwertoptimierer 119 eingegebenen Fehler auf null anzusteuern. Somit setzt die sekundäre Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung die Kraftstoffeinspritzzeiteinstellung fest, die den Verbrennungsphaseneinstellungsfehler 106 weiter fein abstimmt. Unter Nutzung der Zündzeiteinstellungssteuerungen wenigstens in Betriebsbereichen, in denen die Funkenunterstützung genutzt wird, kann eine alternative sekundäre Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung auf ähnliche Weise realisiert werden, wobei normale Zündautoritätsbereiche die gewünschten Verbrennungsphaseneinstellungsverschiebungen bewirken können. Die Verbrennungsphaseneinstellung aller Zylinder kann z. B. über eine Verschiebung aller Einspritzzeiteinstellungen eingestellt werden oder die Verbrennungsphaseneinstellung jedes Einzelzylinders kann z. B. über Kraftstoffeinspritzoptimierungen von Zylinder zu Zylinder eingestellt werden. Die letztere Realisierung kann aus der Nutzung der Einzelzylinder- oder Pro-Zylinder-Verbrennungsabtastung Nutzen ziehen.
Es ist gezeigt worden, dass die NVO ein effektiver Parameter für die HCCI-Motor-Verbrennungsphaseneinstellungs-Steuerung von 7 mg/Zyklus bis 15 mg/Zyklus zur Berücksichtigung von Kraftstoffänderungen ist. Unterhalb 7 mg/Zyklus wird die NVO vorzugsweise für Verbrennungsstabilitäts- und Emissionsbetrachtungen geändert, wobei die Verbrennungsphaseneinstellung hauptsächlich durch die bei der Rekompression eingespritzte Kraftstoffmasse und -zeiteinstellung gesteuert wird. Oktanindexkorrelationen (OI-Korrelationen) (11 und 12) können verwendet werden, um vorherzusagen, wie sich kommerziell verfügbare, vollständig gemischte Benzinkraftstoffe unter HCCI-Betrieb innerhalb eines weiten Lastbereichs verhalten. Insbesondere kann bei bekanntem RON und MON der OI unter Verwendung von K = 2 berechnet werden. Daraufhin kann unter Verwendung der obigen Beziehung (3) die CA50 berechnet werden. Die NVO-Anforderung, die CA50 zurück an ihre optimale Stelle (im Wesentlichen etwa 4 Grad aTDC) zu bewegen, wird unter Verwendung der obigen Beziehung (4) berechnet.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die Verbrennungskammern mit veränderlichem Volumen, die durch Kolben definiert sind, die innerhalb der Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehen, und veränderlich zu betätigende Einlass- und Auslassventile enthält, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Einlass- und Auslassventile auf eine negative Nennventilüberlappung; Einspritzen einer ersten Kraftstoffmenge während einer Rekompressionsphase bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen; Einstellen der Einlass- und Auslassventile abweichend von der negativen Nennventilüberlappung auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung, gekennzeichnet durch das Einstellen der Rekompressions-Kraftstoffeinspritzzeit oder der Rekompressionseinspritzmasse auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung, wenn vorgegebene Ventileinstellungsgrenzwerte erreicht sind oder wenn weitere Ventileinstellungen Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungseinstellung nicht verringern.
Verfahren zur Regelung einer Direkteinspritzungs-Viertakt-Brennkraftmaschine, die Verbrennungskammern mit veränderlichem Volumen, die durch Kolben definiert sind, die innerhalb der Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unterem Totpunkt hin- und hergehen, und veränderlich zu betätigende Einlass- und Auslassventile enthält, wobei die Regelung umfasst: eine erste offene Regelung, die eine negative Nennventilüberlappungseinstellung der Einlass- und Auslassventile liefert; eine erste geschlossene Regelung, die auf der Grundlage von Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung die Einlass- und Auslassventile abweichend von der negativen Nennventilüberlappungseinstellung einstellt; eine zweite offene Regelung, die Nennrekompressions-Kraftstoffeinspritzeinstellungen liefert; und eine zweite geschlossene Regelung, die Einstellungen an den Nennrekompressions-Kraftstoffeinspritzeinstellungen liefert, die auf Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung beruhen, wenn vorgegebene Ventileinstellungsgrenzwerte erreicht sind oder wenn weitere Ventileinstellungen Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung nicht verringern und bei der die Rekompressions-Kraftstoffeinspritzeinstellungen die Zeiteinstellung oder die Masse umfassen.
Verfahren zum Betreiben einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die mit einer veränderlichen Ventilbetätigungsvorrichtung und Kraftstoffzufuhrvorrichtung konfiguriert ist, wobei das Verfahren umfasst: Regeln der veränderlichen Ventilbetätigungsvorrichtung in Übereinstimmung mit vorgegebenen Sollwerten und einer Rückkopplung auf der Grundlage von Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen; und Regeln der Kraftstoffzufuhrvorrichtung in Übereinstimmung mit vorgegebenen Rekompressions-Kraftstoffeinspritzsollwerten, die die Zeiteinstellung oder die Masse umfassen und einer Rückkopplung auf der Grundlage von Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen, wobei die Regelung der Kraftstoffzufuhrvorrrichtung wirksam ist, wenn vorgegebene Ventileinstellungsgrenzwerte erreicht sind oder wenn weitere Ventileinstellungen Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung nicht verringern.
Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Einlass- und Auslassventilen, wobei die Steuervorrichtung umfasst: eine veränderliche Ventilbetätigungsvorrichtung; eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung; eine Drucksensorvorrichtung zum Liefern von Verbrennungskammer-Druckinformationen; und ein Steuermodul, das für die Steuerung der veränderlichen Ventilbetätigungsvorrichtung angepasst ist, um eine negative Ventilüberlappung zwischen den Auslass- und Einlassventilen auf einen ersten Sollwert einzustellen und um den vorgegebenen ersten Sollwert auf der Grundlage eines Vergleichs der von der Drucksensorvorrichtung abgeleiteten Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen auf einen vorgegebenen zweiten Sollwert für Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen einzustellen, und wobei das Steuermodul ferner zum Steuern der Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf einen vorgegebenen dritten Sollwert ausgelegt ist, der die Kraftstoffeinspritzzeiteinstellung oder die Masse umfasst, und zum Einstellen des vorgegebenen dritten Sollwerts auf der Grundlage des Vergleichs der Verbrennungsphaseneinstellungsinformationen ausgelegt ist, wenn vorgegebene Ventileinstellungsgrenzwerte erreicht sind oder wenn weitere Ventileinstellungen Abweichungen der Verbrennungsphaseneinstellung von der gewünschten Verbrennungsphaseneinstellung nicht verringern.