DE112007000984T5 - Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung, umfassend:
ein Bereitstellen eines Kalibrierdatensatzes in einem Datenraum, der Gleichgewichtseinstellpunkte des Motorbetriebs bei mehreren Motorbetriebsparametern darstellt, bei denen eine Verbrennungs-Phasenlage relativ am wenigsten empfindlich auf Schwankungen der Zylinderladungstemperatur reagiert; und
ein Steuern der Motorbetriebsparameter gemäß dem Kalibrierdatensatz.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Motoren, HCCI von homogeneous charge compression ignition).
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In einem Motor mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Motor) ist die Verbrennung flammenlos und tritt in dem gesamten Zylindervolumen spontan auf. Die homogen gemischte Zylinderladung wird selbst gezündet, wenn die Zylinderladung verdichtet wird und ihre Temperatur ansteigt. Der Zündzeitpunkt einer selbst gezündeten Verbrennung hängt stark von anfänglichen Bedingungen der Zylinderladung ab, wie z. B. der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung. Daher ist es wichtig, die Motoreingaben abzustimmen, wie z. B. die Kraftstoffmasse, den Einspritzzeitpunkt und die Ventilbewegung, um eine robuste HCCI-Verbrennung zu gewährleisten. In Abhängigkeit von der Ventilbewegung gibt es in einem HCCI-Motor zwei vorherrschende Betriebsstrategien – eine Abgaswiederverdichtungsstrategie und eine Abgasrückatmungsstrategie.
  • Bei der Abgaswiederverdichtungsstrategie wird die Zylinderladungstemperatur gesteuert, indem heißes Abgas aus dem vorhergehenden Motorzyklus durch ein frühes Schließen des Auslassventils während des Ausstoßtakts eingefangen wird, während das Einlassventil zu einem verspäteten Zeitpunkt symmetrisch zu dem Schließzeitpunkt des Auslassventils geöff net wird. Bei dieser Ventilstrategie hängen die Zusammensetzung und die Zylinderladungstemperatur davon ab, wie früh sich das Auslassventil während des Ausstoßtakts schließt. Beispielsweise würde, wenn das Auslassventil während des Ausstoßtakts früher schließt, mehr heißes Abgas aus dem vorhergehenden Motorzyklus in dem Zylinder eingefangen, was weniger Zylindervolumen für die Frischluftmasse übrig lässt und dadurch die Zylindertemperatur erhöht, während das Sauerstoffniveau des Zylinders abnimmt. Bei der Abgaswiederverdichtungsstrategie wird der Schließzeitpunkt des Auslassventils (und dadurch der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils) typischerweise durch eine Ventilüberlappung quantifiziert, die eine negative Zahl aufweist. Die negative Ventilüberlappung (NVO, von Negative Valve Overlap) ist definiert als die Zeitdauer des Kurbelwinkels zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils. Daher hängen die anfänglichen Bedingungen der Zylinderladung stark von der zeitlichen Steuerung des Einlass- und des Auslassventils ab.
  • Im Gegensatz dazu wird die Zylinderladungstemperatur bei der Abgasrückatmungsstrategie gesteuert, indem das heiße Abgas durch ein erneutes Öffnen des Auslassventils während des Ansaugtaktes in den Zylinder rückeingespeist wird. Bei dieser Ventilstrategie hängen die Zusammensetzung und die Zylinderladungstemperatur von dem Hub des erneuten Öffnens des Auslassventils während des Ansaugtaktes ab. Auf eine ähnliche Weise wie bei der Abgaswiederverdichtungsstrategie würde, wenn sich das Auslassventil während des Ansaugtakts weiter erneut öffnet, mehr heißes Abgas aus dem vorhergehenden Motorzyklus in den Zylinder rückeingespeist werden, was weniger Zylindervolumen für die Frischluftmasse übrig lassen und folglich die Zylindertemperatur erhöhen würde, während das Sauerstoffniveau des Zylinders abnehmen würde. In diesem Fall hängen die anfänglichen Bedingungen der Zylinderladung stark von dem Hub und/oder der Zeitdauer des zweiten Öffnens des Auslassventils ab.
  • Sowohl bei der Abgaswiederverdichtungsstrategie als auch der Rückatmungsstrategie ist eine schnelle Änderung in den Eingaben an den HCCI-Motor erforderlich, wie z. B. der Ventileinstellung, der AGR-Ventilöffnung, des Zündzeitpunkts usw., um genügend thermische Energie für erfolgreiche selbstgezündete Verbrennungen während eines Last/Drehzahlübergangs aufrechtzuerhalten. Daher ist eine präzise und schnelle Aktuatorsteuerung für einen erfolgreichen Übergang zwischen Einstellpunkten notwendig, während diese Einstellpunkte auch gegenüber Störungen robust sein müssen, die während eines Übergangsbetriebs unvermeidbar eingeführt werden können. Zusätzlich reagiert HCCI empfindlich auf Betriebsfaktoren, wie z. B. die Umgebungstemperatur, die Motorkühlmitteltemperatur, die Höhe, die Feuchtigkeit usw., was eine robuste und stabile Steuerung noch mehr zu einer Herausforderung macht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung sorgt für robuste Betriebs-Einstellpunkte für einen HCCI-Motor unter Verwendung eines Motormodells, das die Verbrennungscharakteristiken eines HCCI-Motors beschreibt. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Modell besteht aus zwei Untermodellen; einem Gasaustauschprozessmodell (GEM, von gas exchange process model) und einem HCCI-Verbrennungsprozessmodell (CM, von combustion process model).
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung umfasst ein Bereitstellen eines Kalibrierdatensatzes in einem Datenraum, der Gleichgewichts-Einstellpunkte des Motorbetriebs für mehrere Motorbetriebsparameter darstellt. Diese Einstellpunkte sind durch eine Verbrennungs-Phasenlage charakterisiert, die relativ am wenigsten empfindlich auf Schwankungen der Zylinderladungstemperatur reagiert. Die Motorbetriebsparameter werden gemäß dem Kalibrierdatensatz gesteuert und können beispielsweise Motorventilprofilparameter, Motorkraftstoffversorgungsparameter und Motorabgasrückführungsparameter umfassen. Zusätzlich können die Motorbetriebsparameter Motorzündfunkenparameter und Einlassluftdrosselparameter umfassen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen der Erfindung können in bestimmten Teilen oder einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die bevorzugte Ausführungsform im Detail beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt werden wird, die einen Teil hiervon bilden, und wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Einzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Benzindirekteinspritzung ist, der geeignet ist, um gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben zu werden;
  • 2 eine diagrammartige Ansicht eines beispielhaften Controllers ist, mit dem eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung während verschiedener stationärer und Übergangsbetriebsweisen gemäß der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten wird;
  • 3 ein Datengraph einer charakteristischen Kurve der Zylinderladungstemperatur bei einem Schließen des Einlassventils gegenüber der Abgastemperatur entsprechend einem Gasaustauschmodell gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein Datengraph ist, der eine Übereinstimmung der mittleren Energieabgaberate (AERR, von Average Energy Release Rate) aus dem Modell der vorliegenden Erfindung mit experimentellen Daten zeigt;
  • 5 ein Datengraph einer charakteristischen Kurve der Zylinderladungstemperatur bei einem Schließen des Einlassventils gegenüber der Abgastemperatur entsprechend einem HCCI-Verbrennungsprozessmodell gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein Datengraph von überlagerten Kurven der Zylinderladungstemperatur bei einem Schließen des Einlassventils gegenüber der Abgastemperatur entsprechend einem Gasaustauschmodell und einem HCCI-Verbrennungsprozessmodell gemäß der vorliegenden Erfindung für zwei beispielhafte Luft/Kraftstoffverhältnisse ist;
  • 7 ein Datengraph der Zylinderladungstemperatur bei einem Schließen des Einlassventils gegenüber Kurven der Abgastemperatur bei thermischem Gleichgewicht entsprechend einem Gasaustauschmodell und einem HCCI-Verbrennungsprozessmodell bei einer vorbestimmten Kraftstoffrate für 0% und 4% AGR ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung abgeleitet sind;
  • 8 verschiedene Datengraphen darstellt, die einer gewünschten Verbrennungs-Phasenlage bei unterschiedlichen stationären Motorlasten und Übergängen zwischen diesen für einen Motorbetrieb ohne äußere AGR entsprechen; und
  • 9 verschiedene Datengraphen darstellt, die einer gewünschten Verbrennungs-Phasenlage bei unterschiedlichen stationären Motorlasten und Übergängen zwischen diesen für einen Motorbetrieb mit äußerer AGR entsprechen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Zuerst auf 1 der Zeichnungen im Detail Bezug nehmend, bezeichnet Ziffer 10 allgemein eine schematische Darstellung eines beispielhaften Einzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung. In der Figur ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 bewegbar und definiert mit dem Zylinder 12 eine Verbrennungskammer mit variablem Volumen 13. Ein Einlassdurchgang 14 versorgt die Verbrennungskammer 13 mit Luft. Eine Luftströmung in die Verbrennungskammer 13 wird durch ein Einlassventil 15 gesteuert. Verbrannte Gase können durch einen Auslassdurchgang 16 aus der Verbrennungskammer 13 strömen, gesteuert durch ein Auslassventil 17.
  • Der beispielhafte Motor 10 weist einen hydraulisch gesteuerten Ventiltrieb mit einem elektronischen Controller 18 auf, der programmierbar ist und das Öffnen und das Schließen sowohl des Einlassventils 15 als auch des Auslassventils 17 hydraulisch steuert. Der elektronische Controller 18 wird die Bewegung des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17 unter Berücksichtigung der Positionen des Einlass- und des Auslassventils 15 und 17 steuern, wie sie von zwei Positionsmessfühlern 19 und 20 gemessen werden. Solch ein hydraulisch gesteuertes Ventilsystem wird allgemein als völlig flexibel bezogen auf die Herstellung gewünschter Ventilprofile in dem Hub, der Zeitdauer und der Phase erachtet. Es ist auch bekannt, dass alternative Ventiltriebmechanisierungen, einschließlich beispielsweise mehrstufiger Nocken und unabhängiger Einlass/Auslass-Phaseneinsteller, die Bedingungen in dem Zylinder beeinflussen, die für einen HCCI-Betrieb förderlich sind. Der Controller 18 wird sich auch auf die Winkelposition des Motors beziehen, wie sie von einem Rotationssensor 21 angezeigt wird, der mit der Motorkurbelwelle 22 verbunden ist. Auf eine ähnliche Weise können verschiedene andere Sensoren bei den Motorsteuerungen verwendet werden, wie es dem Fachmann bekannt ist, einschließlich der sich nicht erschöpfenden Beispiele von Motorabgastemperatur, Sensoren für die Abgasbestandteile, Luftmassenstrom sowie Druck und Temperatur des Krümmers/der Umgebung. Die Kurbelwelle 22 ist durch eine Pleuelstange 23 mit dem Kolben 11 verbunden, der sich in dem Zylinder 12 hin- und herbewegt. Eine Benzin-Direkteinspritzvorrichtung 24, die durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird verwendet, um Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 13 einzuspritzen. Die verschiedenen Funktionen, die dem Controller 18 zugeordnet sind, können genauso gut von mehreren separaten, aber aufeinander abgestimmten Controllern ausgeführt werden, die für die verschiedenen Aufgaben ausgebildet sind.
  • Eine Zündkerze 25, die ebenfalls durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird verwendet, um die Steuerung des Zündzeitpunkts des Motors unter bestimmten Bedingungen zu verbessern (z. B. während eines Kaltstarts und nahe der Betriebsgrenze bei niedriger Last). Es hat sich auch als bevorzugt erwiesen, sich nahe der Betriebsgrenze bei hoher Teillast unter kontrollierter Selbstzündungsverbrennung und während Betriebsbedingungen bei hoher Drehzahl/Last mit gedrosseltem oder nicht gedrosseltem SI-Betrieb auf eine Funkenzündung zu stützen.
  • Der Motor ist ausgestaltet, um mit kraftstoffeingespritztem Benzin oder ähnlichen Mischungen ungedrosselt mit HCCI-Verbrennung über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten betrieben zu werden, was ein Starten des Motors umfassen kann, wo es möglich ist. Ein mittels Funkenzündung und Drossel gesteuerter Betrieb kann jedoch mit herkömmlichen und modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen verwendet werden, die für den HCCI-Betrieb und zum Erhalten der maximalen Motorleistung nicht förderlich sind. Anwendbare Kraftstoffzufuhrstrategien können eine direkte Zylindereinspritzung, eine Einlasskanal-Einspritzung oder eine Drosselklappeneinspritzung umfassen. Bevorzugte Kraftstoffe sind die weithin verfügbaren Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen mit diesem; es können jedoch auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie z. B. höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase usw. bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Das hierin unten beschriebene Steuersystem und -verfahren betrifft insbesondere einen mit HCCI-Verbrennung betriebenen Motor, der eine Unterstützung durch Funkenzündung aufweisen kann. Das Verbrennungssteuerungssystem kann einen oder mehrere Computer oder Controller aufweisen, die ausgebildet sind, um eine sich wiederholende Reihe von Schritten oder Funktionen in einem Verfahren zur Verbrennungssteuerung gemäß der Erfindung auszuführen.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Motorcontrollers 40, mit dem eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung während eines stationären und eines Übergangsbetriebs erreicht wird. Der Controller 40 weist eine Optimalwertsteuerung 42 und eine Regelung 44 auf, die mit zugeordneten Komponenten eines repräsentativen Motors mit Benzin-Direkteinspritzung 46 verbunden sind.
  • Die Optimalwertsteuerung 42 erreicht eine schnelle Systemantwort. Basierend auf den gewünschten Last- und Motorbetriebsmodusbedingungen werden die erforderlichen Kraftstoffeinspritzungszeitpunkte (FI) und -pulsweiten (Kraftstoffzufuhrrate) 48, die erforderliche Ventilbetätigung (einschließlich negativer Ventilüberlappung (NVO)) 50, der erforderliche Zündfunkenzeitpunkt (SI) 52, die erforderliche Drosselposition 54 und die erforderliche AGR-Ventilposition 56 aus Nachschlagetabellen 57 berechnet, um die Verbrennungs-Phasenlage zu steuern. In Abhängigkeit von den aktuellen Motorbetriebsbedingungen und einer Lastanforderung des Fahrers werden auch variable Ratenbegrenzer 58, 60, 62, 64, 66 verwendet, um eine unterschiedliche Dynamik in dem System, z. B. eine Luft- und eine Kraftstoffdynamik, zu kompensieren.
  • Die robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung wird während harter Lastübergänge aufrechterhalten, indem nur die Optimalwertsteuerung 42 mit kalibrierten Nachschlagetabellen verwendet wird. Obwohl dies hier nicht hervorgehoben wird, wird die Regelung verwendet, um die Robustheit des Gesamtssystems weiter zu verbessern.
  • Bei einem allgemeinen Betrieb der Optimalwertsteuerung 42 während schneller Lastübergänge mit HCCI-Motorbetrieb (Motorbetrieb mit homogener Kompressionszündung) werden Eingaben an den Motor, einschließlich zumindest des Zündfunkenzeitpunkts (SI), des Kraftstoffeinsprit zungszeitpunkts (FI) und der Ventileinstellung (und, wo diese verwendet werden, der Drosselposition und der AGR-Ventilposition) stationären Eingaben gleichgesetzt (d. h. mit diesen synchronisiert), die der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate entsprechen. Vorkalibrierte stationäre Eingaben sind in den Nachschlagetabellen 57 gespeichert, und die Motoreingaben werden ermittelt, indem Werte der stationären Eingaben in den Nachschlagetabellen interpoliert werden.
  • Weitere Details einer beispielhaften HCCI-Steuerung werden in der US-Patentanmeldung Nr. 11/366,217 (Anwaltsaktenzeichen GP306189) gefunden, eingereicht am 2. März 2006, die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Erfindung und deren Inhalte hiermit durch Referenz eingeschlossen sind.
  • Die Optimalwertsteuerung 42 ist basierend auf umfangreichen Kalibrierungen ausgestaltet, um eine erfolgreiche HCCI-Verbrennung unter stationären Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Wenn nur die Optimalwertsteuerung verwendet wird, kann die Phasenlage der Verbrennung jedoch unter Störungen und/oder umgebungsbedingten Änderungen leiden. Störungen umfassen beispielsweise erhebliche oder schnelle Änderungen der Motordrehzahl und -last, die notwendige Vorkommnisse bei einem Motorbetrieb eines Fahrzeugs sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein systematisches Verfahren oder einen Leitfaden bereit, um den Einstellpunkt effektiv zu kalibrieren, und verringert die Abhängigkeit von der Regelung zur robusten Durchführung eines Übergangs.
  • Es wird angenommen, dass der HCCI-Motor bei einer konstanten Motordrehzahl unter ungedrosselten Bedingungen mit einer konstanten Kraftstoffzufuhrrate und einer konstanten Temperatur des Ansaugkrümmers betrieben wird. Zusätzlich werden folgende Annahmen verwendet, um ein Modellieren zu vereinfachen.
    • (A.1) Die Drücke in dem Ansaug- und dem Auslasskrümmer sind konstant.
    • (A.2) Der Druck bei IVC (Schließen des Einlassventils) ist gleich dem Druck in dem Ansaugkrümmer.
    • (A.3) EVC (Schließen des Auslassventils) und IVO (Öffnen des Einlassventils) sind bei symmetrischen Zeitpunkten um den Einlass-TDC festgelegt.
    • (A.4) Sobald die Ventilbewegung (entweder aus der Abgaswiederverdichtungsstrategie oder der Abgasrückatmungsstrategie) festgelegt ist, bleiben die Partialdrücke der Ansaugladung und des in dem Zylinder durch die Ventilbewegung eingefangenen Abgases konstant.
    • (A.5) Die spezifische Wärme pro Masseneinheit, Cp, Cv und daher γ = Cp/Cv bleiben über einen gesamten Motorzyklus konstant.
    • (A.6) Die eingespritzte Kraftstoffmasse in dem Zylinder verbrennt vollständig, d. h. die Verbrennungseffizienz ist 100%.
  • Das Gasaustauschprozessmodell fokussiert sich auf die Zylinderladungstemperatur nach dem Gasaustauschprozess. Sobald die Abgastemperatur Texh und die Ventilprofile (d. h. Kombinationen aus dem Hub, der Zeitdauer und der Phase des Einlass- und des Auslassventils entweder aus der Abgaswiederverdichtungsstrategie oder der Abgasrückatmungsstrategie) gegeben sind, kann die Zylinderladungstemperatur bei IVC (Tivc) für den nächsten Verbrennungszyklus basierend auf (A.2), (A.4), der Energiebilanz und dem Gesetz des idealen Gases gemäß den folgenden Beziehungen algebraisch modelliert werden:
    Figure 00120001
    pi = pip + pep (2)wobei Tint die Einlasstemperatur, pi der Druck in dem Ansaugkrümmer, pip der Partialdruck der Ansaugladung und pep der Partialdruck des in dem Zylinder eingefangenen Abgases ist.
  • Es wird angenommen, dass sowohl pep als auch pip solange konstant bleiben, wie die Ventilbewegung basierend auf (A.4) festgelegt ist. 3 zeigt eine typische Kurve des Gasaustauschprozessmodells, das eine Beziehung zwischen der Abgastemperatur (Texh) und der Zylinderladungstemperatur bei IVC (Tivc) für den nächsten Motorzyklus zeigt, wobei ein festes Ventilprofil gegeben ist. Eine Korrelation der Verbrennungs-Abgastemperatur (Texh) und der Zylinderladungstemperatur bei IVC (Tivc) wird durch die durchgezogene Kurve GEM dargestellt. Man sollte beachten, dass Tivc monoton ansteigt, wenn die Abgastemperatur ansteigt, und sie ist gemäß der folgenden Beziehung nach oben begrenzt:
    Figure 00120002
  • Die Energieabgabe aus der HCCI-Verbrennung hängt stark von der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung ab. Die mittlere Rate der Energieabgabe (AERR) ist als die gemittelte Verbrennungsra te der Kraftstoffmasse definiert und kann gemäß der folgenden Beziehung ausgedrückt werden:
    Figure 00130001
    wobei a, b, c Abstimmungsparameter sind, Vc der Totraum des Zylinders ist, R die Gaskonstante ist, φ das zugeführte Kraftstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis ist, E die Aktivierungsenergie des Verbrennungsprozesses im Volumen ist, DR das Zufuhrverhältnis ist und TAVE die mittlere Verbrennungstemperatur während der Verbrennung ist. Das Zufuhrverhältnis ist als die eingespeiste Frischluftmasse über der Luftmasse definiert, die das Verdrängungsvolumen bei dem Druck und der Temperatur des Ansaugkrümmers auffüllen würde. Es wird angenommen, dass die HCCI-Verbrennung bei dem Verbrennungs-TDC beginnt, wobei die Temperatur und der Druck in dem Zylinder ihre Maximalwerte erreichen, bevor eine spontane Verbrennung auftritt, und dass die mittlere Verbrennungstemperatur (TAVE) gemäß der folgenden Beziehung angenähert wird:
    Figure 00130002
    wobei TTDC und TEOC die Temperaturen an dem Verbrennungs-TDC bzw. am Ende der Verbrennung sind. TTDC und TEOC können aus dem druckbegrenzten Motorzyklus gemäß den folgenden Beziehungen abgeleitet werden:
    Figure 00130003
    wobei
    Figure 00140001
    und VIVC das Zylindervolumen bei IVC ist, VEOC das Zylindervolumen am Ende der Verbrennung ist, mf eine gegebene Kraftstoffmasse ist und QLHV der niedrige Heizwert des Kraftstoffs ist. Da angenommen wird, dass die Verbrennung bei dem Verbrennungs-TDC beginnt, ist β proportional zu der Verbrennungsdauer. Die Ausblas-Gastemperatur bei der Öffnung des Auslassventils Tbd kann gemäß der folgenden Beziehung aus dem druckbegrenzten Motorzyklus erhalten werden:
    Figure 00140002
  • Die Abgastemperatur wird gemäß der folgenden Beziehung modelliert, welche die auf die Zylinderwand übertragene Wärme berücksichtigt: Texh ≈ αTbd + (1 – α)Tw (8)wobei Tw die Temperatur der Zylinderwand ist, α ein kalibrierbarer Parameter als Funktion der Betriebsbedingungen, wie z. B. Motordrehzahl, Ladungstemperatur usw. ist.
  • Das AERR-Modell wurde basierend auf experimentellen Daten abgestimmt, die für einen Einzylinder-HCCI-Motor gesammelt wurden. Während der Experimente wurden die Motordrehzahl und die Kraftstoffzufuhrrate von 1000 bis 2000 U/min bzw. von 7 bis 18 mg/Zyklus variiert, und das Luft/Kraftstoffverhältnis wurde von der Stöchiometrie bis 30:1 variiert. Am Ende der Verbrennung kann AERR gemäß der folgenden Beziehung ermittelt werden:
    Figure 00150001
    wobei θEOC das Ende der Verbrennung in Kurbelwinkel-Grad nach dem Verbrennungs-TDC ist. 4 zeigt das berechnete AERR aus Gleichung (4) und das AERR, das unter Verwendung von Gleichung (9) basierend auf der Wärmeabgabeanalyse der experimentellen Daten berechnet wurde. 4 zeigt, dass das durch das Modell vorausgesagte AERR mit dem AERR aus den experimentellen Daten mit zumutbarer Genauigkeit übereinstimmt. Sobald das AERR-Modell für eine gegebene Betriebsbedingung abgestimmt ist, kann das Ende der Verbrennung durch ein Gleichsetzen von Gleichung (4) und Gleichung (9) und durch ein numerisches Lösen der Gleichung erhalten werden.
  • 5 zeigt typische Ergebnisse des HCCI-Verbrennungsprozessmodells, das die Beziehung zwischen der Zylinderladungstemperatur bei IVC (Tivc) und der Abgastemperatur (Texh) nach der HCCI-Verbrennung mit festen Ventilprofilen und somit den Gasaustauschprozess darstellt. Die gestrichelte Kurve stellt die Beziehung zwischen der Zylinderladungstemperatur bei IVC und der Abgastemperatur nach der HCCI-Verbrennung mit konstantem β oder gleichbedeutend eine konstante Verbrennungsdauer dar. Die gestrichelten Kurven sind daher Linien konstanter Verbrennungsdauer.
  • Charakteristiken der HCCI-Verbrennung können studiert werden, indem die Empfindlichkeit der Verbrennungs-Phasenlage um jene Gleichgewichtspunkte herum studiert wird, die dem Gasaustauschprozess- und dem Verbrennungsprozessmodell entsprechen. 6 zeigt Temperaturkurven GEM, CM, die Tivc und Texh miteinander korrelieren, wie sie mittels des Gasaustauschprozessmodells bzw. des Verbrennungsprozessmodells berechnet werden, wenn die Kraftstoffzufuhrrate bei 11 mg/Zyklus und ohne äußere AGR festgelegt ist, mit einer Einlasstemperatur von 90°C, einer Motordrehzahl gleich 1000 U/min und mit Luft/Kraftstoffverhältnissen gleich 20:1 bzw. 26:1.
  • Thermische Gleichgewichtspunkte können an der Kreuzung der zwei entsprechenden Kurven GEM und CM aus dem Gasaustauschprozess- und dem Verbrennungsprozessmodell erhalten werden. Die Stabilität des Gleichgewichtspunkts kann überprüft werden, indem eine Trajektorie der Abgastemperatur gebildet wird, die diesen Kurven, wie in 6 gezeigt, folgt. 6 zeigt beispielsweise, dass der resultierende Gleichgewichtspunkt mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis gleich 20:1 asymptotisch stabil ist, während der bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis gleich 26:1 entweder asymptotisch stabil oder ein Zentrum des Zyklus der Stabilitätsgrenze sein könnte. Man kann auch sehen, dass die Verbrennungsdauer extrem empfindlich gegenüber Tivc wird, wenn β ansteigt, was anzeigt, dass die Empfindlichkeit der Verbrennungsdauer gegenüber Tivc eng damit in Beziehung steht, wie lange die Verbrennungsdauer ist. Basierend auf dieser Beobachtung kann die Empfindlichkeit der selbstgezündeten Verbrennung in einem HCCI-Motor untersucht werden, indem die Empfindlichkeit von β gegenüber diesen thermischen Gleichgewichtspunkten aus dem Modell unter verschiedenen Betriebsbedingungen geprüft wird.
  • Daher zeigt 7 Kurven des thermischen Gleichgewichts, die aus dem Modell mit einer Kraftstoffzufuhrrate gleich 11 mg/Zyklus bei 1000 U/min, mit einer konstanten Einlasstemperatur von 90°C, ohne äußere AGR (Kurve 601) und mit 4% äußerer AGR (Kurve 603) erhalten werden. Die Figur stellt auch die Gleichgewichtspunkte dar, wenn das Ventilprofil bei einer von zwei Einstellungen (die GEM1 und GEM2 entsprechen) festge legt ist, so dass der Partialdruck der Ansaugladung ungeachtet der äußeren AGR bei 48,3 kPa bzw. 31,6 kPa gleich bleibt. 7 zeigt, dass die Verbrennungsdauer, und damit die Verbrennungs-Phasenlage (z. B. CA50), allgemein mit ansteigender äußerer AGR ansteigt (d. h. ansteigendes β). Andererseits zeigt 7 auch, dass die äußere AGR die Empfindlichkeit der Verbrennung gegenüber Tivc bei bestimmten Betriebsbedingungen verringern kann. Es ist beispielsweise in 7 zu sehen, dass die Verbrennungsdauer bei einem Einlasspartialdruck gleich 48,3 kPa ohne äußere AGR (mit A bezeichnet) und diejenige bei einem Einlasspartialdruck von 40,6 kPa mit 4% äußerer AGR (mit B bezeichnet) gleich sind (d. h. β = 1,48). Die Empfindlichkeit der Verbrennungsdauer gegenüber Tivc wird jedoch mit äußerer AGR signifikant verringert, und die Betriebsbedingung (mit B bezeichnet) sollte als ein bevorzugter Einstellpunkt für eine robuste Durchführung eines Lastübergangs bei der gegebenen Verbrennungsdauer β = 1,48 betrachtet werden. Daher sind bevorzugte Steuer-Einstellpunkte für eine gegebene Verbrennungsdauer oder -phasenlage solche, die eine minimale Verbrennungsdauer oder Schwankung der Phasenlage bezogen auf Schwankungen der Zylinderladungstemperatur Tivc zeigen, ergeben oder zulassen.
  • Um die Modellvoraussagen zu validieren, wurden zwei Lastübergangsexperimente mit einem Mehrzylinder-HCCI-Motor durchgeführt. Während der Experimente wurde der Motor mit der Abgaswiederverdichtungsstrategie bei einer Drehzahl von 2000 U/min betrieben, und die Kraftstoffzufuhrrate wurde von 7 mg/Zyklus auf 11 mg/Zyklus geändert. Der Motor wurde während der Experimente ungedrosselt mit HCCI-Verbrennung betrieben und umfasste einen Motorbetrieb mit vorbestimmten Werten der äußeren AGR- und der inneren AGR-Einstellungen sowie der Einstellpunkte des Anteils des verbrannten Gases für das Einlass- und das Auslassgas. Ein geschlossener Regelkreis führte wiederholte Anpassungen der Einstellungen der äußeren AGR und der inneren AGR aus, um die Anteile des verbrannten Gases für das Auslass- und das Einlassgas in Richtung auf ihre Einstellpunkte zu bewegen. Die gewünschten Werte der Verbrennungs-Phasenlage, angezeigt in dem Kurvenwinkel durch 50% des Kraftstoffverbrennungspunkts (CA50), wurden auf 7 Grad ATDC bei 7 mg Kraftstoff/Zyklus bzw. auf 9 Grad ATDC bei 11 mg Kraftstoff/Zyklus gesetzt. In dem ersten Experiment wurden die gewünschten Werte des Luft/Kraftstoffverhältnisses auf 18,5 bei 7 mg Kraftstoff/Zyklus bzw. auf 16 bei 11 mg Kraftstoff/Zyklus gesetzt, so dass die gewünschte Verbrennungs-Phasenlage ohne äußere AGR stationär bei entweder 7 mg Kraftstoff/Zyklus oder 11 mg Kraftstoff/Zyklus erreicht werden kann. Die experimentellen Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
  • 8 zeigt, dass es Fehlzündungen/Teilabbrände während eines Absinkens des Luft/Kraftstoffverhältnisses (tip-in) gab, während die Verbrennung während eines Ansteigens des Luft/Kraftstoffverhältnisses (tip-out) erfolgreich aufrechterhalten wurde. Dies zeigt, dass eine Verbrennung bei den gewählten Einstellpunkten während eines Übergangs gegenüber Störungen nicht robust ist, obwohl die Verbrennung stationär sehr stabil ist. In dem zweiten Experiment wurden die gewünschten Werte des Luft/Kraftstoffverhältnisses auf 16 bei 7 mg Kraftstoff/Zyklus bzw. auf 15 bei 11 mg Kraftstoff/Zyklus gesetzt, so dass die gewünschte Verbrennungs-Phasenlage (7 Grad ATDC bzw. 9 Grad ATDC) mit äußerer AGR stationär bei entweder 7 mg Kraftstoff/Zyklus oder 11 mg Kraftstoff/Zyklus erreicht werden kann. Die experimentellen Ergebnisse sind in 9 gezeigt, die zeigt, dass es weder während des Absinkens des Luft/Kraftstoffverhältnisses (tip-in) noch während des Ansteigens des Luft/Kraftstoffverhältnisses (tip-out) Fehlzündungen/Teilabbrände gab. Dies zeigt, dass die Verbrennung bei den gewählten Einstellpunkten im Gegensatz zu dem ersten Experiment während eines Übergangs robust gegenüber Störungen ist.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte gemacht werden könnten. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen ist.
  • Zusammenfassung
  • Ein HCCI-Motor wird betrieben, indem mehrere Motorbetriebsparameter gemäß einem Kalibrierdatensatz gesteuert werden, der Gleichgewichts-Einstellpunkte des Motorbetriebs darstellt, die durch eine Verbrennungs-Phasenlage charakterisiert sind, die relativ am wenigsten empfindlich auf Schwankungen der Zylinderladungstemperatur reagiert.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung, umfassend: ein Bereitstellen eines Kalibrierdatensatzes in einem Datenraum, der Gleichgewichtseinstellpunkte des Motorbetriebs bei mehreren Motorbetriebsparametern darstellt, bei denen eine Verbrennungs-Phasenlage relativ am wenigsten empfindlich auf Schwankungen der Zylinderladungstemperatur reagiert; und ein Steuern der Motorbetriebsparameter gemäß dem Kalibrierdatensatz.
  2. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Motorbetriebsparameter Ventilprofilparameter, Motorkraftstoffzufuhrparameter und/oder Motorabgasrückführungsparameter umfassen.
  3. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 2, wobei die mehreren Motorbetriebsparameter ferner Motorzündfunkenparameter und/oder Einlassluftdrosselparameter umfassen.
  4. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung, umfassend: ein Bereitstellen von mehreren Gleichgewichtsdatensätzen für die Verbrennungsabgastemperatur und die Zylinderladungstemperatur sowohl für einen Zylindergasaustauschprozess als auch für einen Zylinderverbrennungsprozess, wobei jeder Datensatz einem entsprechenden Satz von vorbestimmten Motorbetriebsbedingungen entspricht; und ein Auswählen von Einstellpunkten für den Motorbetrieb basierend auf den Gleichgewichtsdaten von den mehreren Gleichgewichtsdatensätzen, die eine minimale Empfindlichkeit der Verbrennungsdauer gegenüber Schwankungen in der Zylinderladungstemperatur zeigen.
  5. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 4, wobei die Zylinderladungstemperatur eine Zylinderladungstemperatur bei einem Schließen eines Einlassventils umfasst.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 4, das den Zylindergasaustauschprozess entsprechend vorbestimmten Profilen eines Einlass- und eines Auslassventils umfasst.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 4, das umfasst, dass der Zylinderverbrennungsprozess einer vorbestimmten Kraftstoffzufuhr entspricht.
  8. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung, umfassend: ein Bereitstellen von ersten korrelierten Temperaturdaten für ein Verbrennungsabgas und eine Zylinderladung entsprechend einem Zylindergasaustausch; ein Bereitstellen von zweiten korrelierten Temperaturdaten für das Verbrennungsabgas und die Zylinderladung entsprechend einer Zylinderverbrennung; ein Herstellen von Gleichgewichtstemperaturdaten entsprechend einem Gleichgewicht zwischen den ersten und den zweiten Temperaturdaten; ein Bereitstellen von dritten korrelierten Temperaturdaten bei einer konstanten Verbrennungsdauer für das Verbrennungsabgas und die Zylinderladung; und ein Auswählen von Einstellpunkten für den Motorbetrieb basierend auf den Gleichgewichtstemperaturdaten und den dritten korrelierten Temperaturdaten.
  9. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 8, wobei das Auswählen der Einstellpunkte für den Motorbetrieb basierend auf den Gleichgewichtstemperaturdaten und den dritten korrelierten Temperaturdaten umfasst: ein Auswählen von Einstellpunkten für den Motorbetrieb als eine Teilmenge von Gleichgewichtsdaten, die eine minimale Empfindlichkeit einer Verbrennungsdauer gegenüber der Zylinderladungstemperatur zeigen.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 8, das umfasst, dass die ersten korrelierten Temperaturdaten vorbestimmten Profilen eines Einlass- und eines Auslassventils entsprechen.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 8, das umfasst, dass die zweiten korrelierten Temperaturdaten einer vorbestimmten Kraftstoffzufuhr entsprechen.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung nach Anspruch 8, wobei die Temperaturdaten für die Zylinderladung im Wesentlichen einem Schließen eines Einlassventils entsprechen.
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