DE112007001208T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Übergangs zwischen HCCI- und SI-Verbrennungen in einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylindermotors mit Direkteinspritzung, umfassend:
ein Ausbilden des Motors, um in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung selektiv zu arbeiten;
ein Überwachen des Motorbetriebs und einer Drehmomentanforderung eines Betreibers; und
ein selektives Deaktivieren der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder und ein selektives Erhöhen der Drehmomentabgabe der nicht-deaktivierten Zylinder, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erreichen, wenn sich der überwachte Motorbetrieb oberhalb eines vordefinierten ersten Schwellenwerts befindet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Steuersysteme von Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den Betrieb eines Motors mit homogener Kompressionszündung zu steuern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
  • Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, fallen allgemein in eine von zwei Kategorien, Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit Kompressionszündung. Herkömmliche Motoren mit Funkenzündung, wie zum Beispiel Benzinmotoren, funktionieren üblicherweise durch ein Einspeisen eines Kraftstoff/Luftgemisches in die Verbrennungszylinder, das danach während des Kompressionshubs komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Herkömmliche Motoren mit Kompressionszündung, wie zum Beispiel Dieselmotoren, funktionieren üblicherweise durch ein Einspeisen oder Einspritzen eines unter Druck stehenden Kraftstoffs, der sich nach der Einspritzung entzündet, in einen Verbrennungszylinder nahe dem oberen Totpunkt (TDC, von top dead Center) des Kompressionshubs. Die Verbrennung umfasst sowohl für her kömmliche Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren vorgemischte oder Diffusionsflammen, welche durch die Fluidmechanik gesteuert werden. Jeder Motorentyp weist Vorteile und Nachteile auf. Benzinmotoren produzieren im Allgemeinen weniger Emissionen, sind aber weniger effizient, während Dieselmotoren im Allgemeinen effizienter sind, aber mehr Emissionen produzieren.
  • In jüngerer Zeit wurden für Verbrennungsmotoren andere Typen von Verbrennungsmethodiken eingeführt. Ein solches Motorsystem umfasst einen Verbrennungsmotor, der ausgestaltet ist, um unter speziellen Motorbetriebsbedingungen in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu arbeiten, um eine verbesserte Motorkraftstoffeffizienz zu erreichen, auch bezeichnet als ein Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI). Ein Funkenzündungssystem wird verwendet, um den Selbstzündungsverbrennungsprozess während spezieller Betriebsbedingungen zu ergänzen.
  • Ein typischer HCCI-Motor arbeitet in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und -last entweder in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder in dem Modus mit Funkenzündung. Der HCCI-Verbrennungsmodus umfasst einen verteilten, flammenlosen Verbrennungsprozess mit Selbstzündung, der eher durch die Oxidationschemie als durch die Fluidmechanik gesteuert wird. Die Zündung einer Zylinderladung wird durch eine Kompression der Zylinderladung unter speziellen Motorbetriebsbedingungen verursacht. In dem typischen Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, ist die Zylinderladung zum Schließzeitpunkt des Einlassventils nahezu homogen in der Zusammensetzung, der Temperatur und dem Restniveau. Der typische Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, kann ferner unter der Verwendung einer geschichteten Ladungskraftstoffeinspritzung arbeiten, um den Verbren nungsprozess zu steuern und zu modifizieren, einschließlich der Verwendung einer geschichteten Ladungsverbrennung, um die HCCI-Verbrennung auszulösen. Da die Selbstzündung ein verteilter kinematisch gesteuerter Verbrennungsprozess ist, arbeitet der Motor mit einem stark verdünnten Kraftstoff/Luftgemisch (d. h. einem mageren Kraftstoff/Luft-Stöchiometriepunkt) und weist eine relativ geringe Spitzenverbrennungstemperatur auf, wodurch extrem niedrige NOx-Emissionen gebildet werden. Das Kraftstoff/Luftgemisch für die Selbstzündung ist im Vergleich zu den bei Dieselmotoren verwendeten geschichteten Kraftstoff/Luft-Verbrennungsgemischen relativ homogen, und daher werden die fetten Zonen, die bei Dieselmotoren Rauch- und Partikelemissionen bilden, im Wesentlichen beseitigt. Wegen dieses stark verdünnten Kraftstoff/Luftgemischs kann ein Motor, der in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung arbeitet, ungedrosselt arbeiten, um eine dieselähnliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen. Darüber hinaus kann der HCCI-Motor bei Stöchiometrie mit erheblichen Mengen von AGR arbeiten, um eine effektive Verbrennung zu erreichen. Man hat herausgefunden, dass bei mittleren Motordrehzahlen und -lasten eine Kombination des Motorventilprofils und der zeitlichen Steuerungs- (z. B. Abgaswiederverdichtung und Abgasrückatmung) und Kraftstoffzufuhrstrategie geeignet ist, um ausreichende thermische Energie an die Zylinderladung zu liefern, so dass die Selbstzündung während des Kompressionshubs zu einer stabilen Verbrennung mit geringem Geräusch führt. Eines der Hauptprobleme für den effektiven Betrieb eines Motors in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung war es, den Verbrennungsprozess geeignet zu steuern, so dass eine robuste und stabile Verbrennung, die zu geringen Emissionen, einer optimalen Wärmeabgaberate und geringem Geräusch führt, über einen Bereich von Betriebsbedingungen erreichbar ist. Die Vorzüge der Selbstzündungsverbrennung sind seit Jahren bekannt.
  • Es gibt keine direkte Steuerung eines Verbrennungsstarts für einen Motor, der in dem Selbstzündungsmodus arbeitet, da die chemische Kinetik der Zylinderladung den Start und den Verlauf der Verbrennung bestimmt. Bei Motorbetriebsbedingungen oberhalb bestimmter Grenzen geht der HCCI-Motor zu einer Verbrennung mit Funkenzündung bei Stöchiometrie über, um eine stabile Verbrennung zu erreichen, Emissionen zu regeln und eine Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen. Der typische HCCI-Motor wechselt in Abhängigkeit von vorkalibrierten und vorbestimmten Betriebsbedingungen zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmodus). Oft umfasst der SI-Modus einen ungedrosselten Betrieb bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis.
  • Die Motorbetriebsdrehzahl, bei der ein Übergang zwischen HCCI und SI möglich ist, ist basierend auf der Motorhardware, insbesondere dem Hub und der Zeitdauer der Ventilöffnungen aufgrund der Nockenwellenprofile, begrenzt. Beispielsweise hat sich, wenn ein Nocken einen Spitzenhub von 4 mm und eine Öffnungszeitdauer von 120 CA-Graden liefert, ein Übergang zwischen dem HCCI- und SI-Betrieb oberhalb einer Motordrehzahl von ungefähr 2000 rpm als nicht erreichbar herausgestellt.
  • Es ist vorteilhaft, über ein Steuersystem für einen HCCI-Motor zu verfügen, das effektiv zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung wechselt. Darüber hinaus besteht eine Notwendigkeit, bei höheren Motorbetriebsdrehzahlen zwischen dem SI- und dem HCCI-Betrieb effektiv zu wechseln. Die nachstehend beschriebene Erfindung umfasst ein Verfahren und ein Steuerschema für den Motorbetrieb, um eine effektive Verbrennung während Übergangen zwischen den HCCI- und SI-Verbrennungsmoden zu steuern und aufrecht zu erhalten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylindermotors mit Direkteinspritzung. Der Motor arbeitet selektiv in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung. Der Motorbetrieb und eine Drehmomentanforderung des Betreibers werden überwacht. Die Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder wird selektiv deaktiviert, und die Drehmomentabgabe der nicht deaktivierten Zylinder wird selektiv erhöht, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erreichen, wenn sich der überwachte Motorbetrieb oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts befindet. Das Verfahren umfasst ein Identifizieren eines Motorbetriebspunkts, bei dem eine Motorlastforderung eine Betriebsfähigkeit des Motors in einem stöchiometrischen HCCI-Modus übersteigt. Der Motor wird selektiv in einem ungedrosselten Modus mit Funkenzündung betrieben, wobei einem Teil der Zylinder kein Kraftstoff zugeführt wird und die Drehmomentabgabe der übrigen mit Kraftstoff versorgten Zylinder selektiv erhöht wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung kann in bestimmten Teilen oder einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die Ausführungsformen im Detail beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt werden, die einen Teil hiervon bilden, und wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 2 ein Datengraph gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, die Erfindung darzustellen, und nicht zu dem Zweck, dieselbe einzuschränken, stellen 1A und 1B eine beispielhafte Ausführungsform schematisch dar.
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die Abbildungen nur zu dem Zweck dienen, die Erfindung darzustellen, und nicht zu dem Zweck, dieselbe einzuschränken, stellt 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotors 10 und eines begleitenden Steuermoduls 5 dar, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert sind.
  • Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der sich hin und her bewegende Kolben 14 aufweist, die in Zylindern gleitend bewegbar sind, welche Verbrennungskammern mit variablem Volumen 16 definieren. Jeder der Kolben ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 ("CS") verbunden, durch die ihre lineare Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung übersetzt wird. Es gibt ein Luftansaugsystem, das Ansaugluft an einen Ansaugkrümmer liefert, der die Luft in einen Ansaugkanal 29 zu jeder Verbrennungskammer 16 leitet und verteilt. Das Luftansaugsystem umfasst ein Luftströmungskanalsystem und Einrichtungen zum Überwachen und Steuern der Luftströmung. Die Einrichtungen weisen vorzugsweise einen Luftmassenstromsensor 32 auf, um einen Luftmassenstrom ("MAF") und eine Einlasslufttemperatur ("Tin") zu überwachen. Es gibt ein Drosselventil 34, vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung, welche die Luftströmung zu dem Motor in Ansprechen auf ein Steuersignal ("ETC") von dem Steuermodul steuert. Es gibt einen Drucksensor 36 in dem Krümmer, der ausgebildet ist, um den Krümmerabsolutdruck ("MAP") und den barometrischen Druck ("BARO") zu überwachen. Es gibt einen äußeren Strömungsdurchgang, um Abgase aus dem Motorauslass zu dem Ansaugkrümmer zurückzuführen, der ein Strömungssteuerventil aufweist, das als ein Abgasrückführungsventil ("AGR-Ventil") 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, eine Massenströmung des Abgases zu dem Motorlufteinlass zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils gesteuert wird. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Zylinderstruktur" auf die Motorenkomponenten und -elemente, die jeweils eine Verbrennungskammer bilden, d. h. die Wände des Zylinders, den Kolben und den Kopf, einschließlich der Einlass- und Auslassventile.
  • Die Luftströmung aus dem Ansaugkanal 29 in jede der Verbrennungskammern 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 gesteuert. Die Strömung von verbrannten Gasen aus jeder der Verbrennungskammern zu einem Abgaskrümmer über Abgaskanäle 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 gesteuert. Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile werden vorzugsweise mit einer doppelten Nockenwelle (wie dargestellt) gesteuert, deren Drehungen mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verbunden und indiziert sind. Der Motor ist mit Einrichtungen zur Steuerung der Phasenlage, des Hubs und der Zeitdauer der Öffnungen der Einlass- und Auslassventile ausgestattet, vorzugsweise unter Verwendung von Systemen für eine variable Hubsteuerung ("VLC"-Systemen) und für eine variable Nockenphasenlage ("VCP"-Systemen). Das System für einen variablen Ventilhub umfasst Einrichtungen, die dazu dienen, den Hub oder die Öffnung eines Ventils auf eine von zwei eindeutigen Stufen zu steuern, was eine Ventilöffnung mit niedrigem Hub (ungefähr 3–6 min) für eine Öffnungszeitdauer von 120–150 Kurbelwinkelgraden bei einem Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last sowie eine Ventilöffnung mit hohem Hub (ungefähr 8–10 mm) für eine Öffnungszeitdauer von 220–260 Kurbelwinkelgraden bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last umfasst.
  • Das VCP-System dient dazu, die Ventilöffnungs- und Schließzeitpunkte relativ zu der Kurbelwellen- und Kolbenposition, d. h. die Phasenlage, über jene hinaus zu verschieben, welche durch den zweistufigen VLC-Hub, der unter Bezugnahme auf 1 dargestellt ist, bewirkt werden. Bei dieser Ausführungsform gibt es ein VCP/VLC-System 22 für den Motoreinlass und ein VCP/VLC-System 24 für den Motorauslass. Die VCP/VLC-Systeme 22, 24 werden durch das Steuermodul 5 gesteuert und liefern eine Signalrückkopplung an das Steuermodul, die aus einer Nockenwellendrehposition für die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle besteht. Wenn der Motor in einem Selbstzündungsmodus mit einer Abgaswiederverdichtungs-Ventilstrategie arbeitet, wird üblicherweise der Betrieb mit niedrigem Hub verwendet, und wenn der Motor in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung arbeitet, wird üblicherweise der Betrieb mit hohem Hub verwendet.
  • Wie es für erfahrene Praktiker bekannt ist, weisen VCP/VLC-Systeme einen begrenzten Berechtigungsbereich auf, über den Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile steuerbar sind. Das typische VCP-System hat einen Berechtigungsbereich der Phasenlage von 30°–90° der Nockenwellendrehung und erlaubt daher dem Steuermodul, das Öffnen und Schließen der Motorventile vorzuziehen oder zu verzögern. Der Berechtigungsbereich der Phasenlage wird durch die Hardware des VCP- und des Steuersystems, welches das VCP betätigt, definiert und begrenzt. Die VCP/VLC-Systeme werden unter Verwendung einer elektrohydraulischen, einer hydraulischen oder einer elektrischen Steuerkraft betätigt, die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird.
  • Der Motor weist ein Kraftstoffeinspritzsystem auf, das mehrere Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Motorsteuersignal ("Inj_pw") von dem Steuermodul in eine der Verbrennungskammern direkt einzuspritzen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem (nicht gezeigt) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
  • Der Motor weist ein Funkenzündungssystem auf, durch das eine Funkenenergie an eine Zündkerze 26 geliefert wird, um Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern in Ansprechen auf ein Motorsteuersignal ("IGN") von dem Steuermodul zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen. Die Zündkerze 26 verbessert die Steuerung des Zündzeitpunkts der Zylinderladung unter bestimmten Betriebsbedingungen (z. B. während eines Kaltstarts mit entweder HCCI- oder SI-Betrieb, in der Nähe einer Niedriglast-HCCI-Betriebsgrenze und während eines herkömmlichen SI-Motorverbrennungsbetriebs). Die Funkenzündung wird an einer Betriebsgrenze mit hoher Last in dem HCCI-Modus gesteuert, und Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl/Last werden unter gedrosseltem und ungedrosseltem Betrieb mit Funkenzündung gesteuert.
  • Der Motor ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen von Motorbetriebszuständen ausgestattet, einschließlich eines Kurbelwellendrehzahlsensors 42 mit einer Ausgabe RPM, einem Sensor 30, der zum Überwachen der Verbrennung ausgebildet ist, mit einer Ausgabe COMBUSTION und einem Sensor 40, der zum Überwachen der Verbrennungsgase ausgebildet ist, mit einer Ausgabe EXH, üblicherweise einem Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem weiten Messbereich, und einem Kühlmittelsensor 35 mit einer Ausgabe COOLANT. Der Ver brennungssensor umfasst eine Sensoreinrichtung, die zum Überwachen eines Verbrennungsparameters dient, dargestellt als ein Zylinderdrucksensor, der zum Überwachen des Verbrennungsdrucks in dem Zylinder ausgebildet ist. Es versteht sich, dass andere Sensorsysteme, die zum Überwachen des Zylinderdrucks oder eines anderen in eine Verbrennungsphasenlage übersetzbaren Verbrennungsparameters verwendet werden, in dem Umfang der Erfindung eingeschlossen sind, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion.
  • Der Motor ist ausgestaltet, um mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffmischungen mit Selbstzündungsverbrennung ("HCCI-Verbrennung") über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten ungedrosselt zu arbeiten. Der Motor arbeitet in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung mit einem gesteuerten Drosselbetrieb mit herkömmlichen oder modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen, die der Selbstzündungsverbrennung nicht förderlich sind, und um eine maximale Motorleistung zum Erfüllen einer Drehmomentanforderung des Betreibers (To_req) zu erzielen. Weithin verfügbare Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen mit diesem sind bevorzugte Kraftstoffe; es können jedoch auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie z. B. höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Butanol-Benzinmischungen, reines Butanol, Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase und andere, bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Das Steuermodul 5 ist vorzugsweise ein Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen Permanentspeicher einschließlich eines Festwertspeichers (ROM) und eines elektrisch programmierbaren Festwertspeichers (EPROM) umfassen, einen Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem Permanentspeicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen. Die Algorithmen werden üblicherweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben der zuvor erwähnten Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb der Aktuatoren mittels voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden üblicherweise während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses, wie zum Beispiel einer speziellen Kurbelwinkellage, ausgeführt werden.
  • Das Steuermodul 5 führt einen algorithmischen Code aus, der darin gespeichert ist, um die zuvor erwähnten Aktuatoren in spezielle Steuerzustände aus vorbestimmten Nachschlagetabellen und Gleichungen zu steuern, die in dem Speicher gespeichert sind. Dies umfasst das Steuern: einer Drosselposition (ETC); eines Zeitpunkts und einer Verweildauer eines Zündfunkens (IGN); der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, einschließlich mehrfacher Einspritzungen pro Zyklus (Inj_pw); der Phasenlage, des Hubs und der Zeitdauer der Öffnungen der Einlass- und/oder Auslassventile (VCP/VLC-Einlass, VCP/VLC-Auslass); und einer AGR-Ventilposition (AGR), um die Strömung der zurückgeführten Abgase zu steuern. Die Phasenlage, der Hub und die Zeitdauer der Öffnungen der Einlass- und/oder Auslassventile umfassen eine negative Ventilüberlappung (NVO bei einer Abgaswiederverdichtungsstrategie) und einen Hub einer Abgasventil-Wiederöffnung (bei einer Abgasrückatmungsstrategie). Das Steuermodul ist ausgebildet, um Eingabesignale von dem Betreiber zu überwachen (z. B. eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um die Drehmomentanforderung des Betreibers (To_req) zu ermitteln, und ist ausgebildet, Motorbetriebszustände anhand von Sensoren zu überwachen, einschließlich solcher, welche die Motordrehzahl (RPM), die Motorlast (unter Verwendung von MAF, MAP oder Inj_pw), die Verbrennung, die Kühlmitteltemperatur (COOLANT), die Temperatur der Einlassluft (Tin) und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, um einen Motorbetriebspunkt zu ermitteln, der hauptsächlich auf die Motordrehzahl und -last bezogen ist. Das Steuermodul dient dazu, das Drehmoment oder die Last und die Motordrehzahl zu überwachen, aus denen die Motorleistung berechnet wird.
  • Das Steuermodul 5 weist vorzugsweise ein Zylinderdeaktivierungssystem auf, das dazu dient, eine Teilmenge der Gesamtzahl der Zylinder selektiv zu deaktivieren. Gemäß der Erfindung ist die Zylinderdeaktivierung implementiert, indem die Kraftstoffzufuhr von einzelnen Kraftstoffeinspritzeinrichtungen selektiv abgeschaltet wird, einschließlich des Abschaltens einer Zylinderreihe bei einem V-förmigen Motor. Der Zylinderdeaktivierungsmodus kann ferner ein Abschalten des Öffnens der Einlassund/oder Auslassventile gleichzeitig mit einem Unterbrechen einer Kraftstoffströmung zu speziellen Zylindern umfassen. Das Steuersystem erfüllt die Motordrehmomentanweisung, d. h. die Drehmomentanforderung des Betreibers, indem die Drehmomentabgabe der aktivierten Zylinder während des Zeitraums erhöht wird, wenn der Zylinderdeaktivierungsmodus eingeschaltet ist.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend, ist ein Datengraph, der Gebiete des Motorbetriebs unter verschiedenen Bedingungen darstellt, für den beispielhaften Motor 10 mit einem System zur variablen Ventilbetätigung gezeigt, das doppelte Nockenphaseneinsteller und ein zweistufiges Stößelsystem aufweist. Der beispielhafte Motor arbeitet in dem HCCI-Modus über einen Bereich von Motordrehzahlen, in Umdrehungen pro Minute ("rpm"), und von Motorlasten, in Kilopascaleinheiten des mittleren effektiven Nettodrucks ("NMEP (kPa)"). Linie A stellt eine Betriebsbedingung mit niedriger Drehzahl/niedriger Last dar, die eine untere Grenze für den Betrieb des Motors in einem mageren HCCI-Modus umfasst. Unter der Linie A umfasst der Motorbetrieb entweder den herkömmlichen Betrieb mit Funkenzündung bei Stöchiometrie oder den mageren HCCI-Betrieb mit deaktivierten Zylindern. Ein beispielhaftes System für einen derartigen Betrieb ist in dem der Anmelderin ebenfalls übertragenen US-Patent Nr. 6,662,785 B1 beschrieben, erteilt an Sloane et al. mit dem Titel "Method of Operating HCCI Engines at Low Speed and Low Load", das durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist. Linie B stellt eine obere Grenze für den Betrieb des Motors in dem mageren HCCI-Modus dar, wobei allen Zylindern Kraftstoff zugeführt wird. Linie C stellt eine obere Grenze für den Betrieb des Motors in einem stöchiometrischen HCCI-Modus dar, wobei allen Zylindern Kraftstoff zugeführt wird. Linie D stellt eine untere Grenze für den Betrieb des Motors in einem ungedrosselten stöchiometrischen Modus mit Funkenzündung dar ("SI-NTLC"), wobei allen Zylindern Kraftstoff zugeführt wird. Der SI-NTLC-Modus umfasst einen Betrieb durch ein Steuern der Nockenphaseneinsteller, um die Ventil-Öffnungs-/Schließzeitpunkte derart einzustellen, dass die Menge der Lufteinspeisung ohne ein Drosseln in dem Lufteinlasssystem gesteuert wird. Dies ergibt, gekoppelt mit der direkten Kraftstoffeinspritzung in dem Zylinder, einen Laststeuermechanismus ähnlich demjenigen, der in Dieselmotoren verwendet wird. Linie D wird üblicherweise basierend auf einer Motorverbrennungsstabilität ermittelt, wie sie durch einen Variabilitätskoeffizienten des angezeigten mittleren effektiven Drucks ("COV-IMEP") gemessen wird. Es gibt eine obere Grenze für den Betrieb des Motors in dem SI-NTLC-Modus, oberhalb derer der Motor vorzugsweise in einem gedrosselten stöchiometrischen SI-Modus (nicht gezeigt) betrieben wird. Das schattierte Gebiet, das durch den Buchstaben F dargestellt ist, umfasst ein Gebiet, in dem der Motor nicht in der Lage ist, in dem HCCI-Modus oder dem SI-Modus ("Funkenzündungs"-Modus) auf allen Zylindern mit niedriger Emission stabil zu arbeiten.
  • Während des Betriebs wird ein Übergang zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem SI-Verbrennungsmodus wie nachfolgend beschrieben geregelt, insbesondere in der Region F. Wenn er in der durch den Buchstaben F dargestellten Region arbeitet, wird der Motor selektiv in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung betrieben. Daher wird das VLC/VCP-System gleichzeitig mit der selektiven Zylinderdeaktivierung in den Motorventilbetrieb mit hohem Hub gesteuert. Der Motor wird gleichzeitig mit der selektiven Zylinderdeaktivierung in den Betrieb mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert. Die Drossel wird gleichzeitig mit der selektiven Zylinderdeaktivierung weiterhin in eine weit geöffnete Position gesteuert. Die Zündungssteuerung, die den Zeitpunkt, die Energie und die Verweildauer des Zündfunkens umfasst, wird gemäß vorbestimmten Steuerschemata gesteuert.
  • Die genauen Angaben der bevorzugten Motorbetriebsbedingungen für das Wechseln zwischen den HCCI- und SI-Verbrennungsmoden hängen von speziellen Ventilhub- und Zeitdauerprofilen für die Einlass- und Auslassnockenwellen des Motors ab. Die als Region F dargestellte Lücke existiert zwischen der höchsten in dem HCCI-Modus erreichbaren Last und der niedrigsten mit dem SI-Modus erreichbaren Last oberhalb einer Motordrehzahl von 2000 rpm. Die höchste Last, die in dem HCCI-Modus erzielbar ist, wird durch ein Klingeln begrenzt, d. h. dem durch die Verbrennung erzeugten Geräusch. Die niedrigste mit dem SI-Betrieb erzielbare Last wird durch die Verbrennungsstabilität begrenzt, üblicherweise gemessen durch einen COV-IMEP von 3%. Die HCCI-Klingelgrenze ergibt sich aus einer Unfähigkeit, eine ausreichende Ladungsverdünnung bei dem Betrieb mit niedrigem Ventilhub zu induzieren. Die SI-Grenze folgt aus einer übermäßigen Ladungsverdünnung bei dem Betrieb mit hohem Ventilhub.
  • Wenn das beispielhafte System in dem stöchiometrischen HCCI-Modus arbeitet und die Motorlastanforderung die Fähigkeit des Motors in dem stöchiometrischen HCCI-Modus übersteigt (Linie C von 2), ermittelt das System daher, ob der Motor in der Lage ist, in dem SI-Modus mit einem Betrieb aller Zylinder zu arbeiten, wie durch die Linie D von 2 gezeigt. Wenn der Motordrehzahl/-last-Betriebspunkt einen solchen Betrieb ausschließt, d. h. in die Region F fällt, betreibt das Steuermodul den Motor in dem SI-Modus und löst eine Zylinderdeaktivierung aus, um einen oder mehrere der Zylinder zu deaktivieren, indem die Kraftstoffzufuhr zu diesen unterbrochen wird. Die verbleibenden aktiven Zylinder werden bei einem höheren Motorausgangsdrehmoment (erhöhtem NMEP) betrieben, um die geforderten Motorlastanforderungen und die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen, während die Verbrennungsstabilität für jeden betätigten Zylinder unter der oberen Grenze für die Verbrennungsstabilität gehalten wird, d. h. COV-IMEP < 3%. Wenn der Motordrehzahl/-last-Betriebspunkt außerhalb der Region F liegt, entweder oberhalb oder unterhalb, unterbricht das Steuermodul den Zylinderdeaktivierungsmodus, führt allen Zylindern Kraftstoff zu und steuert die Drossel und die VLC/VCP-Einrichtungen 22, 24 gemäß vorbestimmter Steuerschemata und Kalibrierungen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein dreistufiges Ventilbetätigungssystem mechanisiert, das die VLC-Systeme 22, 24 umfasst, wobei es die erste, niedrige Stufe mit einem Spitzenhub von 3–5 mm und einer Zeitdauer von 120–150 Grad für die Einlass- und Auslass-Ventilhubprofile; eine zweite Zwischenstufe mit einem Spitzenhub von 6–8 mm und einer Zeitdauer von 150–180 Grad für die Einlass- und Auslass-Ventilhubprofile; und eine dritte hohe Stufe mit einem Spitzenhub von 9–12 mm und einer Zeitdauer von 220–260 Grad für die Einlass- und Auslass-Ventilhubprofile gibt. Bei dieser Ausführungsform wird, wenn der Motor in der Lücke zwischen dem HCCI-Modus und dem SI-Modus arbeitet, d. h. in der Region F, der dreistufige Ventilbetätigungsmechanismus verwendet, wobei die Zwischenstufe für den Hub und die Zeitdauer verwendet wird, um sowohl die Niedriglast-HCCI- als auch die Hochlast-SI-Betriebsgrenze zu erweitern. Dieses dreistufige Ventilbetätigungssystem wird einzeln oder in Verbindung mit der Zylinderdeaktivierung verwendet. Solch ein beispielhaftes System erhöht die obere Grenze des Betriebs in dem HCCI-Modus und verringert die untere Grenze des Betriebs in dem SI-Modus, was das Gebiet, das in 2 durch den Buchstaben F bezeichnet ist, effektiv verkleinert oder begrenzt.
  • Die Erfindung wurde unter einer speziellen Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können anderen Personen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist beabsichtigt, dass alle diese Modifikationen und Änderungen eingeschlossen sind, soweit sie sich im Rahmen der Erfindung befinden.
  • Zusammenfassung
  • Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylindermotors mit Direkteinspritzung in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder mit Funkenzündung beschrieben. Der Motorbetrieb und eine Drehmomentanforderung des Betreibers werden überwacht. Die Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder wird selektiv deaktiviert, und die Drehmomentabgabe der nicht-deaktivierten Zylinder wird selektiv erhöht, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erreichen, wenn sich der überwachte Motorbetrieb oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts befindet. Es wird ein Motorbetriebspunkt identifiziert, bei dem eine Motorlastforderung eine Betriebsfähigkeit des Motors in einem stöchiometrischen HCCI-Modus übersteigt. Der Motor wird selektiv in einem ungedrosselten Funkenzündungsmodus betrieben, wobei mindestens einem Zylinder kein Kraftstoff zugeführt wird und die Drehmomentabgabe der verbleibenden Zylinder selektiv erhöht wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6662785 B1 [0026]

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylindermotors mit Direkteinspritzung, umfassend: ein Ausbilden des Motors, um in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung oder einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung selektiv zu arbeiten; ein Überwachen des Motorbetriebs und einer Drehmomentanforderung eines Betreibers; und ein selektives Deaktivieren der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder und ein selektives Erhöhen der Drehmomentabgabe der nicht-deaktivierten Zylinder, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erreichen, wenn sich der überwachte Motorbetrieb oberhalb eines vordefinierten ersten Schwellenwerts befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der überwachte Motorbetrieb eine Motordrehzahl umfasst und der vorbestimmte erste Schwellenwert auf der Drehmomentanforderung des Betreibers basiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv in einem Motorventilbetrieb mit niedrigem Hub oder mit hohem Hub betrieben zu werden; und ein Steuern des Motors in den Motorventilbetrieb mit hohem Hub gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu dem Teil der Zylinder.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben zu werden, das überstöchiometrisch oder im Wesentlichen stöchiometrisch ist; und ein Steuern des Motors zu dem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben zu werden, das überstöchiometrisch oder im Wesentlichen stöchiometrisch ist; und ein Steuern des Motors zu dem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Steuern der Drosselöffnung in eine weit offene Position gleichzeitig mit einer selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Steuern eines Zündfunkenzeitpunkts und einer Verweilzeit der Zündung basierend auf dem Motorbetrieb gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein selektives Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu allen Zylindern, wenn die Drehmomentanforderung des Betreibers einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
  9. Verfahren zum Überleiten eines Motorbetriebs zwischen einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung und einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung, umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv mit einem Motorventilbetrieb mit niedrigem Hub oder mit hohem Hub betrieben zu werden; ein Überwachen einer Motordrehzahl und einer Motorlast; ein Ermitteln, dass sich die Motordrehzahl oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts befindet; ein selektives Deaktivieren der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder und ein selektives Erhöhen der Drehmomentabgabe der nicht-deaktivierten Zylinder, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erreichen, und ein Betreiben des Motors mit einem Motorventilbetrieb mit hohem Hub, wenn sich die Motorlast innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorbestimmte Bereich für die Motorlast auf der Motordrehzahl basiert.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben zu werden, das überstöchiometrisch oder im Wesentlichen stöchiometrisch ist; und ein Steuern des Motors zu dem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein Steuern der Drosselöffnung in eine weit offene Position gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: ein Steuern des Zündfunkenzeitpunkts und der Verweilzeit der Zündung basierend auf dem Motorbetrieb gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein Steuern eines Zündfunkenzeitpunkts und einer Verweilzeit der Zündung basierend auf dem Motorbetrieb gleichzeitig mit der selektiven Deaktivierung der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein selektives Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu allen Zylindern, wenn sich die Motorlast außerhalb des vorbestimmten Schwellenwerts befindet.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: ein Ausbilden des Motors, um selektiv mit einem Motorventilbetrieb mit niedrigem Hub, mit Zwischenhub oder mit hohem Hub betrieben zu werden; und ein selektives Deaktivieren der Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder und ein Betreiben des Motors mit dem Motorventilbe trieb mit mittlerem Hub oder mit hohem Hub und ein selektives Erhöhen der Drehmomentabgabe der nicht-deaktivierten Zylinder basierend auf der Drehmomentanforderung des Betreibers.
  17. Verbrennungsmotor, umfassend: einen Mehrzylindermotor mit Direkteinspritzung, der ausgebildet ist, um bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis zu arbeiten, das überstöchiometrisch oder im Wesentlichen stöchiometrisch ist, umfassend: eine Steuereinrichtung für einen variablen Ventilhub, die selektiv bei einem niedrigen Ventilhub oder bei einem hohen Ventilhub betrieben wird; ein Steuermodul, das ausgebildet ist, um Eingaben von mehreren Detektionseinrichtungen zu überwachen und mehrere Aktuatoren basierend auf vorbestimmten Steuerschemata zu steuern, und das ausgebildet ist, um während des laufenden Betriebs eine Kraftstoffzufuhr zu einem Teil der Zylinder abzuschneiden; ein Steuerschema, das ein darin codiertes Computerprogramm umfasst, das in dem Steuermodul ausführbar ist, um den Betrieb des Motors zu steuern, wobei das Programm umfasst: einen Code, um den Motorbetrieb und eine Drehmomentanforderung eines Betreibers zu überwachen; einen Code, um zu ermitteln, dass sich die Motordrehzahl oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts befindet; einen Code, um einen Übergang zwischen einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung und einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung basierend auf dem Motorbetrieb zu bewirken, wenn sich die Motordrehzahl oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts befindet; wobei der Übergang umfasst: einen Code, um das Luft/Kraftstoffverhältnis im Wesentlichen zur Stöchiometrie zu steuern; einen Code, um den variablen Ventilhub zu einer hohen Ventilhuböffnung anzuweisen; einen Code, um den Teil der Zylinder zu deaktivieren, indem die Kraftstoffzufuhr zu diesem während des laufenden Betriebs abgeschnitten wird; einen Code, um die Kraftstoffzufuhr zu den nichtdeaktivierten Zylindern zu erhöhen, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen; einen Code zum Steuern eines Zeitpunkts und einer Verweilzeit der Funkenzündung; und einen Code, um eine Drossel in eine weit offene Position zu steuern.
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