DE112007001285B4

DE112007001285B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs eines Motors mit homogener Kompressionszündung

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Publication number: DE112007001285B4
Application number: DE112007001285T
Authority: DE
Inventors: Thompson M. Sloane; Tang-Wei Kuo; Jun-Mo Kang; Paul M. Najt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: US7360523B2; CN101454551A; CN101454551B; WO2007140138A3; DE112007001285T5; WO2007140138A2; US20070272203A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, wobei der Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor über ein Motorventilbetätigungssystem verfügt, um ein Öffnen und ein Schließen von Einlass- und Auslassventilen zu steuern, und wobei der Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor ausgebildet ist, um in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung selektiv bei Stöchiometrie und überstöchiometrisch betrieben zu werden, wobei das Verfahren umfasst: ein Überwachen von Motorbetriebszuständen; ein Überwachen des barometrischen Umgebungsdrucks; ein ungedrosseltes Betreiben des Motors und ein Steuern des Motorventilbetätigungssystems, um einen Zeitraum einer negativen Ventilüberlappung zu beeinflussen, wenn sich die Motorbetriebsbedingungen in vorbestimmten Bereichen befinden; ein Einspritzen einer Kraftstoffmasse während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung; und ein selektives Verringern der Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck und ein selektives Erhöhen der Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung mit steigendem barometrischem Umgebungsdruck.

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 herkömmliche 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. Eines solcher Motorsysteme 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 Verbrennungsprozess 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. Abgaswiederverdichtungs- und Abgasrückatmungs-) 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 erreicht wird.
Es gibt keine direkte Steuerung eines Verbrennungsstarts für einen Motor, der in dem Modus mit Selbstzündung 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.
Wenn er auf Meereshöhe betrieben wird, verwendet ein HCCI-Motor, der ein Ventilbetätigungssystem mit zweistufigem Hub und einem doppelten variablen Nockenphasensteller aufweist, eine Ventilöffnung mit niedrigem Hub für den ungedrosselten HCCI-Betrieb bei niedriger und mittlerer Last, und er verwendet die Ventilöffnung mit hohem Hub für den Betrieb mit hoher Last, ähnlich einem herkömmlichen funkengezündeten Motor. Die Steuerung des Verbrennungszeitpunkts für den Motor in dem HCCI-Modus weist üblicherweise eine Verwendung einer negativen Ventilüberlappung (NVO) auf, die einen Zeitraum während jedes Motorzyklus umfasst, in dem ein Auslassventil vor der Öffnung eines Einlassventils schließt, gemessen in Kurbelwinkelgraden, um einen Teil des Kraftstoffs zur Erleichterung der Selbstzündungsverbrennung zu reformieren.
Der Verbrennungszeitpunkt wird unter Verwendung des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung gesteuert, einschließlich der Menge und des Zeitpunkts des eingespritzten Kraftstoffs während des NVO-Zeitraums und während des Einlass- und des Kompressionshubs. Die Zeitdauer des NVO-Zeitraums kann auch verwendet werden, um den Verbrennungszeitpunkt zu steuern. Ferner kann eine Zündfunkenunterstützung den Zeitpunkt der Verbrennung steuern. Zwei HCCI-Betriebsbereiche werden verwendet: ein magerer ungedrosselter Betrieb bei niedrigeren Lasten, wo die NOx-Emissionen unter 1,0 g/kg Kraftstoff liegen, und ein ungedrosselter stöchiometrischer Betrieb bei höheren Lasten mit äußerer Abgasrückführung (AGR), um eine NOx-Verringerung mit einem stöchiometrischen Dreiwege-Katalysator zu ermöglichen und das Motorgeräusch der Verbrennung zu steuern.
In dem Betriebsmodus mit magerer HCCI wird die Verbrennung durch ein Erhöhen oder Verringern der NVO nach früh bzw. nach spät verstellt. Wenn ein weiteres Verstellen der Verbrennung nach früh zusätzlich zu demjenigen gefordert wird, das durch die NVO geliefert wird, wird die während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht, und der Zeitpunkt dieser Kraftstoffeinspritzung und die Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubs werden angepasst. Das Verbrennungsgeräusch ist in diesem Betriebsregime üblicherweise kein Problem, daher wird die äußere AGR im Allgemeinen nicht benötigt, um das Geräusch zu steuern.
In dem ungedrosselten stöchiometrischen HCCI-Betriebsmodus müssen ein zufriedenstellender Zündzeitpunkt und ein akzeptables Motorgeräusch gleichzeitig erreicht werden. Wenn die Kraftstoffzufuhrrate erhöht wird, muss für ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis eine genügende Quantität von Luft in jeden Motorenzylinder eingespeist werden. Zusätzlich muss der Betrag der Verdünnung ausreichend sein, um das Motorgeräusch auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Aufgrund von Leitwertbegrenzungen der Ventilöffnung mit niedrigem Hub gibt es eine maximale Kraftstoffzufuhrrate, oberhalb derer nicht genügend Luft in den Motorenzylinder eingespeist werden kann, um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis und/oder genügend äußere AGR zu liefern, um ein akzeptables Motorgeräusch aufrecht zu erhalten. Dies definiert eine obere Lastgrenze für den HCCI-Betrieb des Motors.
Wenn die Umgebungshöhe zunimmt, nehmen Ansaug- und Ausstoßdruck ab, was zu einem Verstellen des Zeitpunkts der Verbrennung nach früh führt. Da ein Motor, der in dem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, sich weder auf die Funkenzündung noch auf die Kraftstoffeinspritzung verlässt, um den Verbrennungsprozess oder den Zündzeitpunkt direkt zu steuern, erfordert der HCCI-Motor üblicherweise besondere Steuerstrategien.
Aus der DE 10 2004 024 864 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors bekannt, der mit gesteuerter Selbstzündung betrieben werden kann und über ein Motorventilbetätigungssystem verfügt, um ein Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen zu steuern. Das Verfahren umfasst ein Überwachen von Motorbetriebszuständen, ein Überwachen des barometrischen Umgebungsdrucks und ein Steuern des Motorventilbetätigungssystems, um einen Zeitraum einer negativen Ventilüberlappung zu beeinflussen, wenn sich die Motorbetriebsbedingungen in vorbestimmten Bereichen befinden.
Die DE 103 50 800 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem eine Kraftstoffmasse während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der einen gesteuerten Selbstzündungsprozess verwendet, und ein Steuersystem für diesen zu schaffen, bei denen der Einfluss von Änderungen in dem Umgebungsdruck auf den Zeitpunkt der Selbstzündung aufgrund von Änderungen in der Höhe oder in anderen barometrischen Bedingungen kompensiert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 14 oder 19.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für den Betrieb eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung geschaffen, der ausgebildet ist, um in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung zu arbeiten, welcher selektiv bei Stöchiometrie und überstöchiometrisch betrieben wird. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden eines Motorventilbetätigungssystems, um ein Öffnen und Schließen eines Motorventils zu steuern, und ein Überwachen von Motorbetriebsbedingungen und des barometrischen Umgebungsdrucks. Der Motor wird ungedrosselt betrieben, und das Motorventilbetätigungssystem wird gesteuert, um einen Zeitraum einer negativen Ventilüberlappung zu beeinflussen, wenn die Motorbetriebsbedingungen in vorbestimmten Bereichen liegen. Eine Kraftstoffmasse wird während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzt. Die Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung wird mit fallendem Umgebungsdruck verringert, und die Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung wird mit steigendem Umgebungsdruck erhöht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen oder einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die bevorzugte Ausführungsform im Detail beschrieben und in den nachstehend eingebundenen Zeichnungen dargestellt wird, umfassend:
1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Untersystems zur Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3A und 3B sind Datengraphen gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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 wurden.
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 mm) 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.
Die VCP-Systeme dienen 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 Modus mit Selbstzündung 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 erfahrenen Praktikern 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 besitzt 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 mit unter Druck stehendem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilsystem (nicht gezeigt) 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, in der Nähe einer Niedriglast-Betriebsgrenze und während eines herkömmlichen SI-Motorverbrennungsbetriebs).
Der Motor ist vorzugsweise 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. In derart angestatteten Systemen umfasst der Verbrennungssensor 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 Verbrennungsparameters, der in eine Verbrennungsphasenlage übersetzt wird, verwendet werden, in dem Umfang der Erfindung eingeschlossen sind, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion. Es versteht sich, dass andere Verfahren zum Ermitteln eines Verbrennungsparameters im Rahmen der Erfindung verwendet werden können.
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 zur Steuerung des Motorbetriebs zu steuern, umfassend: eine Drosselposition (ETC); einen Zeitpunkt und eine Verweildauer eines Zündfunkens (IGN); die Masse und den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (Inj_pw); die Phasenlage, den Hub und die Zeitdauer der Öffnungen der Einlass- und/oder Auslassventile (VCP/VLC); und eine 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 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, um 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, Steuerzustände für verschiedene Motoraktuatoren aus vorbestimmten Nachschlagetabellen und Gleichungen, die in dem Speicher gespeichert sind, wie nachstehend beschrieben zu ermitteln, einschließlich der Phasenlage, des Hubs und der Zeitdauer der Motorventilbetätigung (VCP/VLC-Einlass, VCP/VLC-Auslass), des Zeitpunkts und der Pulsweite der Kraftstoffeinspritzung (INJ_PW), einschließlich mehrfacher Einspritzungen pro Zyklus, des Zeitpunkts und der Verweildauer des Zündfunkens (IGN), der AGR-Ventilposition (AGR) und der Drosselposition (ETC). Das Steuermodul dient dazu, das Drehmoment oder die Last und die Motordrehzahl zu überwachen, aus denen die Motorleistung berechnet wird.
Nun auf 2 Bezug nehmend, werden Details der Steuerung und des Betriebs des Motors in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung gemäß der Erfindung dargestellt. Das Untersystem zur Motorsteuerung besteht bevorzugt aus einem algorithmischen Code und Kalibrierungstabellen, die in einer der Speichereinrichtungen des Motorsteuermoduls 5 für eine Ausführung in diesem gespeichert sind. Das Untersystem zur Motorsteuerung synthetisiert die Betreibereingaben, die Umgebungsbedingungen, die Motorbetriebszustände und die Messungen der Verbrennungsleistung und führt Algorithmen aus, um bevorzugte Steuerzustände für verschiedene Aktuatoren zu ermitteln, um die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen und Zielwerte für den Motorbetrieb zu erreichen. Die Messungen der Verbrennungsleistung (”COMBUSTION”) sind vorzugsweise in Maße für den Verbrennungszeitpunkt und die Brenndauer übersetzbar, die während der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung auftreten. Der Zündzeitpunkt der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung ist als eine Kurbelwinkelposition definiert, gemessen in Graden nach dem oberen Totpunkt (”Grad nach TDC”), bei der 10% und 50% des Massenanteils der Ladung in der Verbrennungskammer verbrannt sind (”CA10” bzw. ”CA50”). Die Brenndauer der Verbrennung ist als ein Kurbelwinkelintervall in Kurbelwinkelgraden (”CAD”) zwischen 10 und 90% verbranntem Massenanteil definiert.
Das Untersystem zur Motorsteuerung weist ein Optimalwert-Steuerschema 55 und vorzugsweise ein Regelungsschema 65 auf. Das Untersystem zur Motorsteuerung wird vorzugsweise als ein Teil einer laufenden Motorsteuerung ausgeführt, um eine schnelle und effektive Systemantwort auf Änderungen der Betriebsbedingungen zu erreichen, typischerweise in Ansprechen auf Änderungen in den Eingaben des Betreibers und der Umgebungsbedingungen.
Das Optimalwert-Steuerschema 55 umfasst zwei Hauptelemente: ein Steuermodell 60, das vorkalibrierte Nachschlagetabellen und Algorithmen umfasst, und mehrere Ratenbegrenzer. Die vorkalibrierten Nachschlagetabellen und Algorithmen des Steuermodells umfassen maschinensuchbare Felder, die in einer der Speichereinrichtungen gespeichert sind, und maschinenausführbare Algorithmen, um basierend auf Motorbetriebszuständen, z. B. der Motordrehzahl, der Last, der Einlasstemperatur, der Kühlmitteltemperatur, dem Abgas und der effektiven Temperatur der Zylinderstruktur, Steuerzustände für jeden der Aktuatoren zur Motorsteuerung zu ermitteln. Ein Motorbetriebspunkt wird basierend auf der Motordrehzahl und -last ermittelt.
Ein spezieller Steuerzustand für jeden der Aktuatoren wird basierend auf den Motorbetriebszuständen und der Historie der Motorleistung ermittelt. Die Steuerzustände für jeden der Aktuatoren zur Motorsteuerung umfassen aktuatorgeeignete Befehlssignale, um den Betrieb der Aktuatoren zu steuern. Die Ausgaben aus den Nachschlagetabellen werden durch einen der mehreren Optimalwert-Ratenbegrenzer geleitet, wie dargestellt.
Ingesamt umfasst die Erfindung ein Verfahren, um den Motor bei Stöchiometrie oder überstöchiometrisch in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung zu betreiben. Es umfasst ein Überwachen von Motorbetriebsbedigungen, insbesondere der Drehzahl und der Last sowie des Umgebungsdrucks, üblicherweise unter Verwendung der BARO-Ausgabe von dem Sensor 36. Der Motor wird ungedrosselt mit einem Zeitraum der negativen Ventilüberlappung betrieben, wenn sich die Motorbetriebsbedingungen in vorbestimmten Bereichen befinden. Eine Kraftstoffmasse wird während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzt. Die Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung wird mit fallendem Umgebungsdruck verringert und mit steigendem Umgebungsdruck erhöht. Der Motor arbeitet vorzugsweise in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung bei Stöchiometrie, wenn die Motorbetriebsbedingungen eine hohe Last umfassen und sich der Motor auf großen Höhen befindet, begrenzt durch einen oberen Lastbereich.
Das Verfahren, um den beispielhaften HCCI-Motor, der ein Ventilbetätigungssystem mit zweistufigem Ventilhub und doppeltem Nockenphasensteller aufweist, auf Meereshöhe zu betreiben, umfasst, dass die Ventilstufe mit niedrigem Hub ungedrosselt in dem Betriebsmodus mit Selbstzündung verwendet wird und dass die Ventilstufe mit hohem Hub bei hohen Motorlasten verwendet wird, wenn der Motor in dem Modus mit Funkenzündung betrieben wird. Die Steuerung des Verbrennungszeitpunkts umfasst für den Motor in dem Modus mit Selbstzündung die Steuerung des NVO-Zeitraums. Der Verbrennungszeitpunkt wird durch eine Steuerung der NVO und der Kraftstoffeinspritzung gesteuert, einschließlich der Steuerung der Menge und des Zeitpunkts des eingespritzten Kraftstoffs während jedes NVO-Zeitraums und während jedes Einlass- und jedes Kompressionshubs. Die Zündfunkenunterstützung wird selektiv verwendet, um den Verbrennungszeitpunkt zu steuern.
Zwei Betriebsmoden mit Selbstzündungsverbrennung werden vorzugsweise verwendet, einschließlich des mageren Betriebsmodus (magere HCCI) und des stöchiometrischen Betriebsmodus (stöchiometrische HCCI). Der Betriebsmodus mit magerer HCCI umfasst, dass der Motor ungedrosselt und mit einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, üblicherweise bei niedrigeren Motorlasten, und wobei sich die NOx-Emissionen vorzugsweise unter 1,0 g/kg Kraftstoff befinden. Der Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI umfasst, dass der Motor ungedrosselt und bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben wird, üblicherweise bei höheren Motorlasten. Die Steuerung der äußeren Abgasrückführung (AGR) wird in diesem Modus verwendet, um die NOx-Verringerung in einem stöchiometrischen Dreiwegekatalysator zu beeinflussen und um das Verbrennungsgeräusch des Motors zu steuern.
In dem Betriebsmodus mit magerer HCCI wird die Verbrennung nach früh oder nach spät verstellt, indem die Größe der NVO jeweils erhöht oder verringert wird. Bei Betriebsbedingungen, bei denen ein weiteres Vorverstellen der Verbrennung zusätzlich zu demjenigen erforderlich ist, das durch die NVO geliefert wird, wird die Menge des während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzten Kraftstoffs erhöht, und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung sowie die Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubs werden eingestellt. Das Verbrennungsgeräusch ist in diesem Betriebsregime üblicherweise kein Problem, und die äußere AGR wird nicht benötigt, um das Geräusch zu steuern.
Der Betrieb in dem Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI ist basierend auf einem zufriedenstellenden Zündzeitpunkt und einem akzeptablen Motorgeräusch begrenzt. Während des Betriebs wird die Kraftstoffzufuhrrate erhöht, um die Motorlast zu erhöhen. Wenn sich die Kraftstoffzufuhrrate erhöht, muss eine entsprechende Luftmasse in den Motorenzylinder eingespeist werden, um den stöchiometrischen Betrieb aufrecht zu erhalten. Zusätzlich muss der Betrag der Abgasverdünnung ausreichend sein, um das Motorgeräusch auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Eine obere Grenze für den HCCI-Betrieb, d. h. in dem Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI, ist durch Strömungsbegrenzungen des niedrigen Ventilhubs definiert. Bei einer geforderten Kraftstoffströmungsrate größer als die maximale Strömungskapazität des Einlassventils, dividiert durch das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis, gibt es keine ausreichende Luftströmung, um Stöchiometrie und eine ausreichende AGR für akzeptable Niveaus des Motorgeräuschs aufrecht zu erhalten. Unter dieser Bedingung wird der HCCI-Betrieb unterbrochen, und der Motor wird in dem Modus mit Funkenzündung betrieben, wobei der Zeitpunkt und die Verweildauer des Zündfunkens die Zündung der Zylinderladung steuern. Das Verfahren, um den beispielhaften HCCI-Motor bei großen Höhen oder niedrigem atmosphärischem Druck laufen zu lassen, wird nun beschrieben. Der Zeitpunkt der Verbrennung verstellt sich nach früh, wenn die Höhe zunimmt und der Ansaug- und Ausstoßdruck fallen.
Nun auf 3A und 3B Bezug nehmend, sind Zeitdiagramme für das Motorventil und die Kraftstoffeinspritzung dargestellt, um den beispielhaften Motor unter speziellen Bedingungen zu betreiben. Die Achse ist in Kurbelwinkelgraden mit speziellen Positionen für den oberen Totpunkt (”TDC”) bei Kompression, für den unteren Totpunkt (”BDC”) und TDC bei Ausstoß gezeigt. Das als ”Auslass” dargestellte Gebiet repräsentiert einen verstrichenen Zeitraum, während dessen das Auslassventil 18 geöffnet ist, und das als ”Einlass” dargestellte Gebiet umfasst einen verstrichenen Zeitraum, während dessen das Einlassventil 20 geöffnet ist. Das Gebiet dazwischen, gezeigt als ”NVO”, repräsentiert einen verstrichenen Zeitraum der negativen Ventilüberlappung. Nun auf 3A Bezug nehmend, stellt das Zeitdiagramm dar, dass der beispielhafte Motor unter speziellen Bedingungen mit niedriger Last in dem Betriebsmodus mit magerer HCCI auf Meereshöhe mit NVO betrieben wird. Die Kraftstoffzufuhr durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 während des NVO-Zeitraums wird durch EOI_1 repräsentiert, dargestellt als eine Massenströmung von Y Milligramm (mg). Die Kraftstoffzufuhr durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 während des Einlass- und Kompressionszeitraums wird durch EOI_2 repräsentiert, gezeigt als eine Massenströmung von Z Milligramm (mg). Ein Verstellen des Verbrennungszeitpunkts nach früh aufgrund eines Höhenanstiegs oder eines Fallens des atmosphärischen Drucks wird in dem Betriebsmodus mit magerer HCCI kompensiert, indem der NVO-Zeitraum und/oder die Menge des während des NVO-Zeitraums eingespritzten Kraftstoffs (EIO_1) verringert werden, was die Quantität des reformierten Kraftstoffs beeinflusst. Das Verringern des NVO-Zeitraums hält den Verbrennungszeitpunkt auf einem optimalen Niveau, wenn der atmosphärische Druck fällt. Ein Verstellen des Verbrennungszeitpunkts nach spät aufgrund eines Anstiegs des atmosphärischen Drucks wird in dem Betriebsmodus mit magerer HCCI vorzugsweise kompensiert, indem der NVO-Zeitraum vergrößert wird und/oder mehr Kraftstoff während des NVO-Zeitraums eingespritzt wird, um den Verbrennungszeitpunkt auf seinem optimalen Niveau zu halten.
Nun auf 3B Bezug nehmend, stellt das Zeitdiagramm den Betrieb des beispielhaften Motors unter speziellen Bedingungen mit hoher Last in dem Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI auf Meereshöhe mit NVO dar. Die Kraftstoffzufuhr durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 während des NVO-Zeitraums wird durch EOI_1 repräsentiert, gezeigt als eine Massenströmung von Y Milligramm (mg). Die Kraftstoffzufuhr durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 während des Einlass- und Kompressionszeitraums wird durch EOI_2 repräsentiert, gezeigt als eine Massenströmung von Z Milligramm (mg).
Ein Verstellen des Verbrennungszeitpunkts nach früh aufgrund eines Höhenanstiegs oder eines Abfallens des atmosphärischen Drucks wird in dem Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI kompensiert, indem der NVO-Zeitraum verkleinert wird und die während des NVO-Zeitraums eingespritzte Kraftstoffmenge (EIO_1) angepasst wird, was die Quantität der Kraftstoffreformierung beeinflusst. Wenn der atmosphärische Druck abfällt, ist es jedoch notwendig, weiterhin zuzulassen, dass sowohl eine angemessene Luftmenge als auch ein angemessener Betrag der Ladungsverdünnung, einschließlich äußerer und innerer AGR, in jeden Motorzylinder eintreten. Die Luftströmungs- und AGR-Anforderungen können ein Verringern der NVO notwendig machen, was in einem größeren Ausmaß zu einem Verstellen des Zündzeitpunkts nach spät führt, als es aufgrund des Fallens des atmosphärischen Drucks notwendig ist, um den optimalen Verbrennungszeitpunkt wieder herzustellen. Das Steuersystem arbeitet durch ein Anpassen der reformierten Kraftstoffmenge und/oder der funkenunterstützten Verbrennung, um den optimalen Zündzeitpunkt wieder herzustellen. Die während des NVO-Zeitraums eingespritzte Kraftstoffmenge wird mit variierender Höhe oder variierendem atmosphärischen Druck angepasst. Spezielle Werte der Quantität der Reformierung des eingespritzten Kraftstoffs und Änderungen in dem NVO-Zeitraum sind anwendungsspezifisch und werden vorzugsweise während Vorproduktions-Motorentwicklungsaktivitäten ermittelt.
Die obere Lastgrenze des Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI wird mit steigender Höhe oder abfallendem atmosphärischem Druck verringert. In diesem Fall muss die maximale Kraftstoffmenge verringert werden, die in den Motorenzylinder eingespritzt wird, um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis aufrecht zu erhalten und zu der gleichen Zeit eine angemessene Ladungsverdünnung aufrecht zu erhalten, um ein akzeptables Motorgeräusch zu erreichen.
Die Strategie wird nun genau beschrieben für Betriebsbedingungen. des maximalen Motorbetriebsbereichs, üblicherweise der Motorlast, bei welcher der Motor effektiv in dem Betriebsmodus mit stöchiometrischer HCCI betrieben wird, und einer typischen niedrigen Motorlast. Nahe der maximalen Motorbetriebslast in dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb läuft der Motor ungedrosselt, d. h. bei weit geöffneter Drossel. Unter dieser Bedingung wird gefordert, dass ein zufriedenstellender Zündzeitpunkt und ein akzeptables Motorgeräusch gleichzeitig erfüllt werden. Wenn die Kraftstoffzufuhrrate erhöht wird, muss eine ausreichende Luftmenge in den Motorenzylinder eingespeist werden, um den Betrieb mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis aufrecht zu erhalten. Zusätzlich muss der Betrag der Verdünnung ausreichend sein, um das Motorgeräusch auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Aufgrund der Strömungsleitwertbegrenzung des Einlasssystems gibt es eine maximale Kraftstoffzufuhrrate, oberhalb derer nicht genügend Luftmasse in den Motorenzylinder eingespeist werden kann, um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis und/oder genügend Masse der äußeren AGR aufrecht zu erhalten, um ein akzeptables Motorgeräusch aufrecht zu erhalten. Dies definiert die obere Lastgrenze für den HCCI-Betrieb des Motors. Auf Meereshöhe entspricht dieses obere Lastlimit einer maximalen Kraftstoffzufuhrrate.
Wenn die Höhe mit dem entsprechenden Fallen des Ansaug- und Ausstoßdrucks steigt, verstellt sich der Verbrennungszeitpunkt nach früh. Wenn die Höhe steigt, ist es jedoch notwendig, weiterhin zuzulassen, dass sowohl eine angemessene Luftmenge als auch ein angemessener Betrag an Ladungsverdünnung, einschließlich äußerer und innerer AGR, in den Motorzylinder eintritt. Die Luft- und AGR-Anforderungen machen ein Verringern der NVO notwendig, die den Zündzeitpunkt in einem größeren Ausmaß nach spät verstellen kann, als es aufgrund des Anstiegs der Höhe notwendig ist, um den optimalen Verbrennungszeitpunkt wieder herzustellen. Eine angemessene Menge von Kraftstoffreformierung und/oder eine funkenunterstützte Verbrennung werden benötigt, um den optimalen Zündzeitpunkt wieder herzustellen. Wenn sich die Höhe verringert, wird der umgekehrte Ansatz ergriffen.
Diese Betriebsstrategie berücksichtigt die Zunahme an Geräusch und NOx, wenn die Höhe bei derselben Kraftstoffzufuhrrate steigt. Um das gleiche Geräuschniveau wie auf Meereshöhe aufrecht zu erhalten, wird die maximale Kraftstoffzufuhrrate für den HCCI-Betrieb verringert, wenn die Höhe steigt.
Bei niedriger Last verstellt sich die Verbrennung ebenso nach früh, wenn der atmosphärische Druck fällt. Der nach früh verstellte Verbrennungszeitpunkt wird kompensiert, indem die NVO verringert wird und/oder die während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzte Kraftstoffmenge (die Kraftstoffreformierung) verringert wird. Dies stellt den Verbrennungszeitpunkt auf ein optimales Niveau wieder her, wenn die Höhe des Motorbetriebs steigt. Wenn die Höhe fällt, neigt die Verbrennung zum Verstellen nach spät, daher werden mehr NVO und/oder mehr während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzter Kraftstoff den Verbrennungszeitpunkt auf sein optimales Niveau wieder herstellen.

Um das Konzept der Erfindung zu verstehen, wurden eine Reihe von Motormodellberechnungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt, um die Betriebsanforderungen für den hierin oben beschriebenen beispielhaften Motor auf Meereshöhe und auf großer Höhe unter Verwendung eines bekannten mathematischen Modells für den Motor zu demonstrieren. Nun auf Tabelle 1 und 2 Bezug nehmend, werden Ergebnisse des Betriebs eines Motors auf Meereshöhe und auf großer Höhe unter Bedingungen mit niedriger Last gemäß der beschriebenen Erfindung vorgelegt. Tabelle 1 stellt Ergebnisse des Betriebs unter denselben Kraftstoffzufuhrbedingungen auf niedriger und großer Höhe dar, während Tabelle 2 Ergebnisse für den Betrieb auf niedriger Höhe sowie auf großer Höhe mit verringerter Kraftstoffzufuhr während der zweiten, der Haupteinspritzung darstellt. Dies zeigt, dass sich die Zündbarkeit der Kraftstoffladung bei niedrigeren Lasten in dem mageren HCCI-Betrieb mit steigender Höhe verbessert. Darüber hinaus besteht eine Notwendigkeit, die Größe der NVO zu verringern und die Masse der Kraftstoffreformierung zu verringern, um den optimalen Verbrennungszeitpunkt aufrecht zu erhalten. Tabelle 1

NVO = 184 CAD	Meereshöhe	Große Höhe
1 mg/5 mg geteilte Einspritzung	Pin = 0,95 bar	Pin = 0,82 bar
Äquivalenzverhältnis	0,72	0,88
Restmasse in %	52	60
NMEP, bar	1,42	1,61
T bei IVC, K	526	560
P bei IVC, bar	1,07	0,88
CA10 (Grad nach TDC)	–3,3	–6,6
CA50 (Grad nach TDC)	4,1	–1,6
Hauptenergieabgabe, J	187	226,6
Energieabgabe durch Wiederverdichtung, J	58,9	40,0

Tabelle 2

NVO = 184 CAD	Meereshöhe	Große Höhe
Ansaugdruck (BARO)	Pin = 0,95 bar	Pin = 0,82 bar
Kraftstoffeinspritzung	1 mg/5 mg	1 mg/4 mg
Äquivalenzverhältnis	0,72	0,79
Restmasse in %	52	53
NMEP, bar	1,42	1,17
T bei IVC, K	526	555
P bei IVC, bar	1,07	0,88
CA10 (Grad nach TDC)	–3,3	–3,2
CA50 (Grad nach TDC)	4,1	4,8
Hauptenergieabgabe, J	187,0	152,8
Energieabgabe durch Wiederverdichtung, J	58,9	52,0

Nun auf Tabelle 3 und 4 Bezug nehmend, werden Modellergebnisse des Motorbetriebs auf Meereshöhe und auf großer Höhe unter Bedingungen mit hoher Last, nominal ungefähr 4,50 bar NMEP auf Meereshöhe, gemäß der Erfindung vorgelegt. Die Betriebsbedingung war ein Betrieb bei Stöchiometrie, d. h. einem Äquivalenzverhältnis von ungefähr 1,0, mit einer ersten reformierenden Einspritzung mit einem Ende der Einspritzung bei 440 Grad vor dem oberen Totpunkt (”Grad vor TDC”) und einer geteilten Kraftstoffeinspritzung, einschließlich einem Ende der zweiten Einspritzung bei 330 Grad vor TDC und einem Ende der dritten Einspritzung bei 270 Grad vor TDC. Tabelle 3 stellt die Ergebnisse des Betriebs unter denselben Kraftstoffzufuhrbedingungen auf geringer und großer Höhe dar, während Tabelle 4 das Ergebnis des Betriebs auf geringer Höhe und auf großer Höhe mit verringerter Kraftstoffzufuhr während der zweiten, der Haupteinspritzung (13 mg Kraftstoff) darstellt. Dies demonstriert, dass es bei hohen Lasten in dem stöchiometrischen HCCI-Betrieb eine Notwendigkeit gibt, die Kraftstoffzufuhr zu verringern, um den optimalen Betrieb aufrecht zu erhalten. Tabelle 3

14,1 mg/Zyklus	Meereshöhe	Große Höhe
Ansaugdruck (BARO)	Pin = 0,95 bar	Pin = 0,82 bar
Kraftstoffinjektion	0,4 mg/6,7 mg/7 mg	2,1 mg/5 mg/7 mg
NVO (CAD)	NVO = 124	NVO = 104
Aquivalenzverhältnis	1,00	0,98
AGR-Masse in %	26	25
NMEP, bar	4,50	4,64
T bei IVC, K	461	434
P bei IVC, bar	0,94	0,80
CA10 (Grad nach TDC)	2,2	2,8
CA50 (Grad nach TDC)	5,4	5,7
Geräusch, MW/m²	6,0	13,3

Tabelle 4

	Meereshöhe	Große Höhe
Ansaugdruck (BARO)	Pin = 0,95 bar	Pin = 0,82 bar
Kraftstoffinjektion	0,4 mg/6,7 mg/7 mg	1,9 mg/4,6 mg/6,5 mg
NVO (CAD)	NVO = 124	NVO = 114
Äquivalenzverhältnis	1,00	1,0
AGR-Masse in %	26	28
NMEP, bar	4,50	4,21
T bei IVC, K	461	443
P bei IVC, bar	0,94	0,81
CA10 (Grad nach TDC)	2,2	3,5
CA50 (Grad nach TDC)	5,4	7,1
Geräusch, MW/m²	6,0	5,0

Nun auf Tabelle 5 Bezug nehmend, werden Modellergebnisse für den Motorbetrieb bei größeren Höhen ohne Kraftstoffreformierung dargestellt.

Diese Ergebnisse demonstrieren in Verbindung mit den Ergebnissen von Tabelle 5 eine Notwendigkeit für Betriebsbedingungen, die Geräuschbeschränkungen Rechnung tragen und die Zündbarkeit erreichen. Die Betriebsbedingungen umfassen ein Verringern der NVO, ein Erhöhen der Kraftstoffreformierung oder der funkenunterstützten Zündung, um eine angemessene Verdünnung und die Zündbarkeit der Verbrennungsladung zu ermöglichen. Tabelle 5

	Meereshöhe	Große Höhe
Ansaugdruck (BARO)	Pin = 0,95 bar	Pin = 0,75 bar
Kraftstoffinjektion	0,4 mg/6,7 mg/7 mg	7,5 mg/7,5 mg
NVO (CAD)	NVO = 124	NVO = 104
Äquivalenzverhältnis	1,00	1,00
AGR-Masse in %	26	14
NMEP, bar	4,50	4,82
T bei IVC, K	461	441
P bei IVC, bar	0,94	0,73
CA10 (Grad nach TDC)	2,2	0,1
CA50 (Grad nach TDC)	5,4	1,8
Geräusch, MW/m²	6	73

Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein anderes Ventilbetätigungssystem für diesen Motor verwendet, um die obere Lastgrenze für den HCCI-Betrieb zu erweitern. Das alternative Ventilbetätigungssystem umfasst eine Steuereinrichtung für variablen Hub, das dazu dient, eine dreistufige Hubkapazität und ein System mit doppeltem Nockenphasensteller zu schaffen. Dieses dreistufige Ventilbetätigungssystem arbeitet auf allen Höhen und bei allen atmosphärischen Drücken. Die erste Stufe mit niedrigem Hub (3–5 mm Hub) wird in Verbindung mit einer NVO von kurzer Dauer verwendet und wird bevorzugt während des mageren gedrosselten Betriebs eingesetzt. Eine zweite Stufe mit mittlerem Hub (6–8 mm Hub) wird bevorzugt bei vergrößerter Motorlast verwendet, um einen größeren Hub und eine größere Zeitdauer für das Einlass- und Auslassventil zu schaffen und um zu ermöglichen, dass eine größere Luftmasse und eine größere äußere AGR in den Motor eintreten. Die dritte Stufe mit hohem Hub wird eingesetzt, wenn der Motor in dem herkömmlichen Modus mit Funkenzündung betrieben wird. Auf Meereshöhe ermöglicht der zweite Ventilhub eine größere maximale Kraftstoffzufuhrrate im HCCI-Modus, da mehr Luft und Verdünnung als bei der niedrigeren Stufe des zweistufigen Systems in die Kammer eintritt. Wenn die Höhe ansteigt oder der atmosphärische Druck fällt, wird die maximale Kraftstoffzufuhrrate aus den gleichen Gründen verringert, die für das zweistufige System erwähnt wurden, die maximale Kraftstoffzufuhrrate ist auf einer gegebenen Höhe jedoch größer als für das zweitstufige System.
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.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, wobei der Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor über ein Motorventilbetätigungssystem verfügt, um ein Öffnen und ein Schließen von Einlass- und Auslassventilen zu steuern, und wobei der Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor ausgebildet ist, um in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung selektiv bei Stöchiometrie und überstöchiometrisch betrieben zu werden, wobei das Verfahren umfasst: ein Überwachen von Motorbetriebszuständen; ein Überwachen des barometrischen Umgebungsdrucks; ein ungedrosseltes Betreiben des Motors und ein Steuern des Motorventilbetätigungssystems, um einen Zeitraum einer negativen Ventilüberlappung zu beeinflussen, wenn sich die Motorbetriebsbedingungen in vorbestimmten Bereichen befinden; ein Einspritzen einer Kraftstoffmasse während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung; und ein selektives Verringern der Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck und ein selektives Erhöhen der Größe des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung mit steigendem barometrischem Umgebungsdruck.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass der Motor in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung bei Stöchiometrie betrieben wird, wenn die Motorbetriebsbedingungen eine hohe Last umfassen und der Motor bei verringertem barometrischem Umgebungsdruck betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst, dass die vorbestimmten Bereiche der Motorbetriebsbedingungen, um den Motor ungedrosselt zu betreiben und das variable Ventilbetätigungssystem in dem Zeitraum der negativen Ventilüberlappung zu steuern, mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Motorbetriebsbedingungen eine Motorlast umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst, dass eine Abgasrückführungsströmung mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmten Bereiche der Motorbetriebsbedingungen basierend darauf ermittelt werden, dass der Motor in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung bei Stöchiometrie betrieben wird und dass die Abgasrückführungsströmung unter Betriebsbedingungen mit hoher Motorlast über einen Bereich von barometrischen Umgebungsdrücken aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des Motorventilbetätigungssystems zum Steuern des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile umfasst, dass das Motorventilbetätigungssystem ausgebildet wird, um einen Hub, einen Öffnungszeitpunkt und eine Öffnungszeitdauer der Einlass- und Auslassventile selektiv zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass der Motor in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung überstöchiometrisch betrieben wird, wenn die Motorbetriebsbedingungen eine geringe Last umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass die vorbestimmten Bereiche der Motorbetriebsbedingungen, um den Motor ungedrosselt zu betreiben und das variable Ventilbetätigungssystem in dem Zeitraum der negativen Ventilüberlappung zu steuern, mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzte Kraftstoffmasse mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Unterstützen der Verbrennung mit gesteuerter Funkenzündung; und ein Anpassen des Verbrennungszeitpunkts durch ein Anpassen des Zeitpunkts der Funkenzündung.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst, dass der Motor gedrosselt betrieben wird und dass der Motor bei Stöchiometrie betrieben wird, wenn die Motorbetriebsbedingungen außerhalb der vorbestimmten Bereiche liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen des barometrischen Umgebungsdrucks umfasst, dass der barometrische Druck mit einem fahrzeugeigenen Sensor überwacht wird.
Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der selektiv in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung oder in einem Modus mit Funkenzündung betreibbar ist, umfassend: ein Überwachen von Motorbetriebsbedingungen und einer Motorlast; ein Überwachen des barometrischen Umgebungsdrucks; ein Betreiben des Motors in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung, wenn die Motorbetriebsbedingungen und die Motorlast innerhalb vorbestimmter Bereiche liegen; ein Verringern der vorbestimmten Bereiche für den Betrieb des Motors in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck; und ein Vergrößern der vorbestimmten Bereiche für den Betrieb des Motors in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung mit steigendem barometrischem Umgebungsdruck.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Betreiben des Motors in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung umfasst: ein Ausstatten des Motors mit einem variablen Ventilbetätigungssystem, das selektiv in einen Zustand einer negativen Ventilüberlappung steuerbar ist; ein Steuern des variablen Ventilbetätigungssystems in den Zustand der negativen Ventilüberlappung; ein Unterstützen der Verbrennung mit gesteuerter Funkenzündung; ein Einspritzen von Kraftstoff während des Zustands der negativen Ventilüberlappung; und ein Betreiben des Motors in einem ungedrosselten Zustand.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass der Motor überstöchiometrisch betrieben wird und dass die während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung eingespritzte Kraftstoffmasse mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck selektiv verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, das umfasst, dass die vorbestimmten Bereiche für die Motorbetriebsbedingungen und die Motorlast, um den Motor ungedrosselt zu betreiben und das variable Ventilbetätigungssystem in dem Zeitraum der negativen Ventilüberlappung zu steuern, mit fallendem barometrischem Umgebungsdruck verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst, dass der Motor bei Stöchiometrie betrieben wird und dass die Masse des zurückgeführten Abgases während des Zeitraums der negativen Ventilüberlappung mit fallendem barometrischem Druck aufrecht erhalten wird.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung, wobei der Motor einen Viertaktverbrennungsmotor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung umfasst, der mit einem Ventilbetätigungssystem ausgestattet ist, das dazu dient, einen Ventilhub, einen Ventilöffnungszeitpunkt und eine Ventilöffnungsdauer zu steuern, und das selektiv dazu dient, eine negative Ventilüberlappung zu beeinflussen, wobei das Verfahren umfasst: ein selektives Verringern einer Größe einer negativen Ventilüberlappung mit einem fallenden barometrischen Druck; ein selektives Verringern einer während der negativen Ventilüberlappung eingespritzten Kraftstoffmenge mit fallendem barometrischem Druck in einem Betriebsmodus mit magerer Selbstzündungsverbrennung; und ein selektives Anpassen der während der negativen Ventilüberlappung eingespritzten Kraftstoffmenge mit dem fallenden barometrischen Druck in einem Betriebsmodus mit stöchiometrischer Selbstzündungsverbrennung.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend: ein Begründen von vorbestimmten Bereichen von Motorbetriebsbedingungen, um den Motor bei einem vorbestimmten barometrischen Druck in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung zu betreiben; und ein Anpassen der vorbestimmten Bereiche, um den Motor in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung zu betreiben, basierend auf Änderungen in dem barometrischen Druck.