DE112007002670B4

DE112007002670B4 - Erweiterung des Niedriglastbetriebs eines Motors mit homogener Kompressionszündung

Info

Publication number: DE112007002670B4
Application number: DE112007002670.7T
Authority: DE
Inventors: Don R. Sutherland; Tang-Wei Kuo; Barry L. Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: US20080283006A1; CN101558220A; US7832370B2; CN101558220B; DE112007002670T5; WO2008063854A1

Abstract

Verfahren zum Erweitern des Niedriglastbetriebs eines Viertaktverbrennungsmotors (10) mit homogener Kompressionszündung, der eine Verbrennungskammer (20) mit variablem Volumen, die durch einen in einem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehenden Kolben (11) definiert wird, Ansaug- und Auslassdurchgänge sowie Ansaug- und Auslassventile (21, 23) aufweist, die während wiederholter, aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens (11) gesteuert werden, wobei das Verfahren umfasst: Verwenden einer Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70), um das Ansaugventil (21) und das Auslassventil (23) derart zu steuern, dass eine negative Ventilüberlappung erzeugt wird, wodurch verbrannte Gase in der Verbrennungskammer (20) eingefangen und wiederverdichtet werden, wobei das Verwenden eine kürzere negative Ventilüberlappung für einen Betrieb näher an einem Mittellastbetrieb des Motors (10) bewirkt und eine zunehmend längere negative Ventilüberlappung bewirkt, wenn die Motorlast abnimmt; Einspritzen eines Anteils des Kraftstoffs, der ein Teil der gesamten Kraftstoffmenge ist, die für einen Verbrennungszyklus in die Verbrennungskammer (20) eingespritzt wird, in die wiederverdichteten verbrannten Gase während der negativen Ventilüberlappung; gekennzeichnet durch Zünden mindestens eines Teils des Kraftstoffanteils mit einer Wärmequelle während der negativen Ventilüberlappung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotorsteuersysteme.
HINTERGRUND
Ein Motorsystem, das für einen Betrieb mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung entwickelt ist, umfasst einen Verbrennungsmotor, der ausgestaltet ist, um nach einem Otto-Zyklus zu arbeiten. Der Motor, der mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder ausgestattet ist, arbeitet in einem gesteuerten Selbstzündungsmodus unter speziellen Motorbetriebsbedingungen, um eine verbesserte Motorkraftstoffeffizienz zu erreichen. Ein Funkenzündungssystem wird verwendet, um den Selbstzündungsverbrennungsprozess während spezieller Betriebsbedingungen zu ergänzen. Solche Motoren werden als Motoren mit homogener Kompressionszündung (nachfolgend ”HCCI”, von homogeneous charge compression ignition) bezeichnet.
Ein HCCI-Motor, der in einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet, erzeugt in einer Verbrennungskammer ein Ladungsgemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff, und die Selbstzündung wird während eines Verdichtungstakts gleichzeitig von vielen Zündungsstellen aus in dem Ladungsgemisch ausgelöst, was zu einer stabilen Leistungsabgabe, einer hohen thermischen Effizienz und niedrigen Emissionen führt. Die Verbrennung ist stark verdünnt und gleichmäßig über das Ladungsgemisch verteilt, was zu einer niedrigen Temperatur des verbrannten Gases und zu NOx-Emissionen führt, die typischerweise wesentlich niedriger als die NOx-Emissionen entweder eines üblichen Funkenzündungsmotors oder eines üblichen Dieselmotors sind.
Die HCCI wurde bei Zweitaktbenzinmotoren unter Verwendung herkömmlicher Verdichtungsverhältnisse demonstriert. Man nimmt an, dass der hohe Anteil von verbrannten Gasen, die von dem vorhergehenden Zyklus übrig bleiben, d. h. der Restinhalt, in der Verbrennungskammer des Zweitaktmotors dafür verantwortlich sind, die hohe Gemischtemperatur zu schaffen, die notwendig ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern.
Bei Viertaktmotoren mit üblichen Ventilmitteln ist der Restinhalt gering, und die HCCI ist bei Teillast schwer zu erreichen. Bekannte Verfahren, um die HCCI bei niedrigen oder Teillasten anzuregen, umfassen: 1) ein Heizen der Ansaugluft, 2) ein variables Verdichtungsverhältnis und 3) ein Mischen des Benzins mit Zündungsförderern, um ein leichter zündbares Gemisch als Benzin zu erzeugen. Bei allen obigen Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten, in dem die HCCI erreicht werden kann, relativ klein. Eine HCCI mit erweitertem Bereich wurde bei Viertaktbenzinmotoren unter Verwendung einer variablen Ventilbetätigung mit bestimmten Ventilsteuerstrategien demonstriert, die einen hohen Anteil von Restverbrennungsprodukten aus dem vorhergehenden Verbrennungszyklus bewirken, was für die HCCI in einem stark verdünnten Gemisch notwendig ist. Mit solchen Ventilstrategien wird der Bereich der Motordrehzahlen und -lasten, in dem die HCCI erreicht werden kann, unter Verwendung herkömmlicher Verdichtungsverhältnisse stark erweitert. Eine solche Ventilstrategie umfasst ein Einfangen und Wiederverdichten von Abgasen durch ein frühes Schließen des Auslassventils während des Ausstoßtakts. Eine solche Ventilsteuerung kann unter Verwendung variabler Nockenphasensteller implementiert werden; der Einfluss eines Nockenphasenstellers weist jedoch Einstellungsgrenzen auf.
Sogar innerhalb der Einflussgrenzen des Nockenphasenstellers ist jedoch bei solchen Ventilsteuerstrategien der HCCI-Motorbetrieb bei niedriger Last durch die erreichbare Temperatur der Verbrennungskammer begrenzt. Eine gewisse Erweiterung des Niedriglastbetriebs wurde erreicht, indem ein erster Anteil des Kraftstoffs spät während des Ausstoßtakts des Kolbens in eine wiederverdichtetes Abgas aufweisende Verbrennungskammer eingebracht wurde. Ein solcher Kraftstoffanteil durchläuft eine Partialoxidation oder Reformierungsreaktion, um zusätzliche Wärme und Bedingungen zu erzeugen, die einer Selbstzündung eines zweiten Teils des Kraftstoffs dienlich sind, der während des Verdichtungstakts zugeführt wird. Die Menge des Kraftstoffs, die auf eine solche Weise reformiert werden kann, ist jedoch durch die Wiederverdichtungstemperatur und den Wiederverdichtungsdruck sowie die Sauerstoffverfügbarkeit begrenzt. Daher bleibt der HCCI-Motorbetrieb bei niedriger Last letztlich durch die Unfähigkeit solcher Techniken begrenzt, die Temperaturen zu erreichen, die für eine gesteuerte Selbstzündung notwendig sind.
Eine weitere Erweiterung der Niedriglast-Betriebsgrenze wurde durch die Anwendung einer Zündfunkenunterstützung auf den zweiten Teil des Kraftstoffs demonstriert, der während des Verdichtungstakts eingespritzt wird. Ein durch eine geschichtete Zündung unterstützter, gesteuerter Selbstzündungsverbrennungsprozess wird realisiert.
Aus der US 2006/0 016 423 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10 bekannt.
Ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind in der US 2005/0 090 966 A1 , in der US 2006/0 005 804 A1 und in der US 2006/0 005 788 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Erweitern des Niedriglastbetriebs eines Viertaktverbrennungsmotors mit homogener Kompressionszündung umfasst ein Verwenden einer Ventilbetätigungseinrichtung, um das Ansaugventil und das Auslassventil derart zu steuern, dass eine negative Ventilüberlappung erzeugt wird, wodurch verbrannte Gase in der Verbrennungskammer eingefangen und wiederverdichtet werden. Kürzere negative Ventilüberlappungen werden für einen Betrieb näher an einem Mittenlastbetrieb des Motors verwendet, und zunehmend längere negative Ventilüberlappungen werden verwendet, wenn die Motorlast abnimmt. Ein Anteil des Kraftstoffs wird in die wiederverdichteten verbrannten Gase eingespritzt, welcher Anteil ein Teil der gesamten Kraftstoffmenge ist, die für einen Verbrennungszyklus in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Zumindest ein Teil des Kraftstoffs wird mit einer Wärmequelle während der negativen Ventilüberlappung gezündet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, von denen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbrennungsmotors ist, der für HCCI- und SI-Betriebsmoden gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgebildet ist;
2A eine Darstellung von Betriebsbereichen eines bekannten Motors ist, einschließlich der HCCI-Betriebsmoden gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2B eine Darstellung von Betriebsbereichen eines beispielhaften Motors ist, einschließlich der HCCI-Betriebsmoden gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3A eine beispielhafte Darstellung bekannter Verfahren ist, die eine negative Ventilüberlappung, eine Kraftstoffzufuhr und eine Zündung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen; und
3B eine beispielhafte Darstellung einer negativen Ventilüberlappung, Kraftstoffzufuhr und Zündung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 und eines Steuersystems 25, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konstruiert wurden. Die gezeigte Ausführungsform wird als Teil eines Gesamtsteuerschemas eingesetzt, um einen beispielhaften Benzin-Viertaktverbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, Funkenzündung und Direkteinspritzung zu betreiben, der ausgebildet ist, um unter einem gesteuerten Selbstzündungsprozess zu arbeiten, der auch als homogener Kompressionszündungsmodus (HCCI-Modus) bezeichnet wird.
Der beispielhafte Motor 10 umfasst: einen Motorblock aus Gussmetall mit mehreren darin gebildeten Zylindern, von denen einer gezeigt ist, und einen Motorkopf 27. Jeder Zylinder umfasst einen Zylinder mit geschlossenem Ende, der einen bewegbaren, hin- und hergehenden Kolben 11 aufweist, der darin eingefügt ist. Eine Verbrennungskammer 20 mit variablem Volumen ist in jedem Zylinder gebildet und wird durch Wände des Zylinders, den bewegbaren Kolben 11 und den Kopf 27 definiert. Der Motorblock weist vorzugsweise Kühlmitteldurchgänge 29 auf, durch die ein Motorkühlmittelfluid strömt. Ein Kühlmitteltemperatursensor 37, der dazu dient, die Temperatur des Kühlmittelfluids zu überwachen, ist an einem geeigneten Ort angeordnet und liefert eine parametrische Signaleingabe an das Steuersystem 25, die zur Steuerung des Motors verwendbar ist. Der Motor weist vorzugsweise bekannte Systeme auf, einschließlich eines äußeren Abgasrückführungsventils (”AGR”-Ventils) und eines Ansaugluftdrosselventils (nicht gezeigt).
Jeder bewegbare Kolben 11 umfasst eine Einrichtung, die gemäß bekannten Kolbenbildungsverfahren ausgestaltet ist, und weist eine Oberseite und einen Körper auf, der im Wesentlichen an den Zylinder angepasst ist, in dem er arbeitet. Der Kolben weist eine Oberseiten- oder Kronenfläche auf, die in der Verbrennungskammer exponiert ist. Jeder Kolben ist mittels eines Stifts 34 und einer Pleuelstange 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden. Die Kurbelwelle 35 ist an dem Motorblock in einem Hauptlagerbereich in der Nähe eines Unterseitenabschnitts des Motorblocks drehbar befestigt, so dass sich die Kurbelwelle um eine Achse drehen kann, die rechtwinklig zu einer durch jeden Zylinder definierten Längsachse liegt. Ein Kurbelsensor 31 ist an einem geeigneten Ort angeordnet und dient dazu, ein Signal zu erzeugen, das von dem Controller 25 verwendbar ist, um einen Kurbelwinkel zu messen, und das übersetzbar ist, um Messwerte einer Kurbelwellendrehung, -drehzahl und -beschleunigung zu liefern, die bei verschiedenen Steuerschemata vewendbar sind. Während des Betriebs des Motors bewegt sich jeder Kolben 11 in dem Zylinder aufgrund der Verbindung mit der Kurbelwelle 35 und deren Drehung sowie des Verbrennungsprozesses auf eine hin- und hergehende Weise aufwärts und abwärts. Die Drehbewegung der Kurbelwelle bewirkt ein Übersetzen einer linearen Kraft, die auf jeden Kolben während der Verbrennung ausgeübt wird, in eine Winkeldrehmomentausgabe von der Kurbelwelle, die auf andere Einrichtungen, wie z. B. einen Fahrzeugantriebsstrang, übertragen werden kann.
Der Motorkopf 27 umfasst eine Gussmetalleinrichtung mit einer oder mehreren Ansaugöffnungen 17 und einer oder mehreren Auslassöffnungen 19, die zu der Verbrennungskammer 20 fließen. Die Ansaugöffnung 17 liefert Luft an die Verbrennungskammer 20. Verbrannte (abgebrannte) Gase strömen über die Auslassöffnung 19 aus der Verbrennungskammer 20. Die Luftströmung durch jede Ansaugöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Ansaugventile 21 gesteuert. Die Strömung der verbrannten Gase durch jede Auslassöffnung wird durch eine Betätigung eines oder mehrerer Auslassventile 23 gesteuert.
Die Ansaug- und Auslassventile 21, 23 weisen jeweils einen Kopfabschnitt auf, der einen Oberseitenabschnitt umfasst, welcher der Verbrennungskammer ausgesetzt ist. Jedes der Ventile 21, 23 weist einen Schaft auf, der mit einer Ventilbetätigungseinrichtung verbunden ist. Eine beispielhafte Ventilbetätigungseinrichtung, dargestellt als 60, dient dazu, das Öffnen und das Schließen jedes der Ansaugventile 21 zu steuern, und eine zweite beispielhafte Ventilbetätigungseinrichtung 70 dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Auslassventile 23 zu steuern. Jede der Ventilbetätigungseinrichtungen 60 und 70 umfasst eine Einrichtung, die signaltechnisch mit dem Steuersystem 25 verbunden ist und dazu dient, den Zeitpunkt, die Dauer und das Ausmaß des Öffnens und Schließens jedes Ventils entweder zusammen oder einzeln zu steuern. Die erste Ausführungsform des beispielhaften Motors umfasst ein doppeltes oben liegendes Nockensystem, das eine variable Hubsteuerung (”VLC”) und eine variable Nockenphasenlage (”VCP”) aufweist, die durch die Ventilbetätigungseinrichtungen 60 und 70 gesteuert werden. Die beispielhafte Ventilbetätigungseinrichtung, die eine VCP-Einrichtung umfasst, dient dazu, den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens jedes Ansaugventils und jedes Auslassventils relativ zu einer Drehposition der Kurbelwelle zu steuern, und sie öffnet jedes Ventil für eine Kurbelwinkeldauer. Die beispielhafte Ventilbetätigungseinrichtung, die eine VLC-Einrichtung umfasst, dient dazu, den Ventilhub oder die Ventilöffnung auf eine von zwei eindeutigen Stufen zu steuern, beispielsweise eine Ventilöffnung mit niedrigem Hub (ungefähr 3–6 mm) für einen Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last und eine Ventilöffnung mit hohem Hub (ungefähr 8–10 mm) für einen Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Wie Fachleuten bekannt ist, weisen VCP-NLC-Einrichtungen einen begrenzten Einflussbereich auf, über den das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Auslassventile gesteuert werden kann. Die typische VCP-Einrichtung weist einen Phaseneinflussbereich von 30°–90° der Kurbelwellendrehung auf, wodurch dem Steuersystem erlaubt wird, das Öffnen und Schließen der Motorventile vorzuverstellen oder zu verzögern. Der Phaseneinflussbereich wird durch die Hardware des VCP und das Steuersystem, welches das VCP betätigt, definiert und begrenzt. Einzelne Ventilbetätigungseinrichtungen können der gleichen Funktion mit der gleichen Wirkung dienen. Die Ventilbetätigungseinrichtungen werden vorzugsweise durch das Steuersystem 25 gemäß vorbestimmten Steuerschemata gesteuert. Alternative variable Ventilbetätigungseinrichtungen, einschließlich beispielsweise vollflexibler elektrischer elektrohydraulischer Einrichtungen, können ebenso verwendet werden und weisen den weiteren Vorteil einer kontinuierlich variablen, unabhängigen Phasensteuerung für das Öffnen und Schließen wie auch einer im Wesentlichen unbegrenzten Ventilhubvariabilität innerhalb der Grenzen des Systems auf. Ein spezieller Aspekt eines Steuerschemas, um das Öffnen und Schließen der Ventile zu steuern, ist hierin beschrieben. Die spezielle Anordnung der Ventilbetätigungseinrichtungen kann von Anwendung zu Anwendung weit variieren.
Luft wird durch einen Ansaugkrümmerkanal 50, der gefilterte Luft empfängt, die durch eine bekannte Luftmesseinrichtung und eine Drosseleinrichtung (nicht gezeigt) strömt, zu der Ansaugöffnung 17 eingelassen. Abgas strömt von der Auslassöffnung 19 zu einem Abgaskrümmer 42, der Abgassensoren 40 aufweist, die dazu dienen, die Bestandteile des Abgaszustroms zu überwachen und diesem zugeordnete Parameter zu ermitteln. Die Abgassensoren 40 können beliebige von verschiedenen bekannten Detektionseinrichtungen umfassen, die dazu dienen, parametrische Werte des Abgaszustroms, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses oder einen Messwert der Abgasbestandteile, beispielsweise NOx, CO, HC und andere, zu liefern. Das System kann einen Sensor 16 in dem Zylinder zum Überwachen der Verbrennungsdrücke oder nicht eingreifende Drucksensoren oder eine inferentiell ermittelte Druckermittlung (beispielsweise durch Kurbelwellenbeschleunigungen) umfassen. Die zuvor erwähnten Sensoren und Messeinrichtungen liefern jeweils ein Signal als eine parametrische Eingabe an das Steuersystem 25. Diese parametrischen Eingaben können von dem Steuersystem verwendet werden, um Messwerte der Verbrennungsleistung zu ermitteln.
Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise eine Teilmenge einer gesamten Steuerarchitektur, die dazu dient, eine abgestimmte Systemsteuerung des Motors 10 und anderer Systeme zu schaffen. In dem Gesamtbetrieb dient das Steuersystem 25 dazu, Betreibereingaben, Umgebungsbedingungen, Motorbetriebsparameter und Messwerte der Verbrennungsleistung zu synthetisieren und Algorithmen zum Steuern verschiedener Aktuatoren auszuführen, um Zielwerte für Steuerparameter zu erreichen, einschließlich solcher Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung und Fahrbarkeit. Das Steuersystem 25 ist funktional mit mehreren Einrichtungen verbunden, durch die ein Betreiber den Betrieb des Motors typischerweise steuert und lenkt. Beispielhafte Betreibereingaben umfassen ein Gaspedal, ein Bremspedal, eine Wähleinrichtung für den Getriebegang und einen Tempomat für die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn der Motor in einem Fahrzeug verwendet wird. Das Steuersystem kann mit anderen Controllern, Sensoren und Aktuatoren mittels eines Busses eines lokalen Rechnernetzes (”LAN”-Bus, nicht gezeigt) kommunizieren, der vorzugsweise eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -kommandos zwischen verschiedenen Controllern ermöglicht.
Aktuatoren, die von dem Steuersystem 25 gesteuert werden, umfassen: Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 12; die VCPNLC-Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 70; eine Zündkerze 14, die mit Zündungsmodulen funktional verbunden ist, um die Zündfunkenverweilzeit und den Zündfunkenzeitpunkt zu steuern; ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil, nicht gezeigt) und ein Modul zur elektronischen Drosselsteuerung (nicht gezeigt). Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 dient vorzugsweise dazu, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer 20 einzuspritzen. Spezielle Details beispielhafter Kraftstoffeinspritzeinrichtungen zur Direkteinspritzung sind bekannt und werden hierin nicht ausführlich beschrieben. Die Zündkerze 14 wird von dem Steuersystem 25 verwendet, um die Steuerung des Zündzeitpunkts des beispielhaften Motors über Abschnitte des Motordrehzahl- und Motorlastbetriebsbereichs zu verbessern. Wenn der beispielhafte Motor in einem reinen HCCI-Modus betrieben wird, verwendet der Motor keine aktivierte Zündkerze. Es hat sich jedoch als wünschenswert herausgestellt, die Funkenzündung zum Ergänzen des HCCI-Modus unter bestimmten Bedingungen, einschließlich beispielsweise während eines Kaltstarts, zum Vermeiden einer Verschmutzung und gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bei Betriebsbedingungen mit niedriger Last in der Nähe einer Niedriglastgrenze zu verwenden. Es hat sich ebenso als bevorzugt herausgestellt, die Funkenzündung an einer Betriebsgrenze bei hoher Last in dem HCCI-Modus und bei Betriebsbedingungen mit hoher Drehzahl/Last während eines gedrosselten oder ungedrosselten Funkenzündungsbetriebs zu verwenden.
Das Steuersystem 25 ist funktional mit dem Motor 10 verbunden und wirkt derart, dass parametrische Daten von Sensoren erfasst werden und dass eine Vielfalt von Aktuatoren des Motors 10 über geeignete Schnittstellen 45 gesteuert wird. Das Steuersystem 25 führt einen algorithmischen Code aus, der darin gespeichert ist, um die zuvor erwähnten Aktuatoren in spezielle Steuerzustände zum Steuern des Motorbetriebs zu steuern, einschließlich: einer Drosselposition (ETC); des Zeitpunkts und der Verweildauer des Zündfunkens (IGL); der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung (Inj_pw); der Phasenlage, des Hubs und der Zeitdauer der Öffnungen der Ansaug- und/oder Auslassventile (VCP/VLC); und der AGR-Ventilposition (AGR), um die Strömung der zurückgeführten Abgase zu steuern. Die Phasenlage, der Hub und die Zeitdauer der Öffnungen der Ansaug- und/oder Auslassventile umfassen eine negative Ventilüberlappung und einen Hub einer Auslassventil-Wiederöffnung (bei einer Abgasrückatmungsstrategie). Das Steuermodul ist ausgebildet, um Eingabesignale von dem Betreiber zu überwachen (beispielsweise 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 Kühlmitteltemperatur (coolant), die Temperatur der Ansaugluft (Tin) und andere Umgebungsbedingungen angeben, um einen Motorbetriebspunkt zu ermitteln, der hauptsächlich auf die Motordrehzahl und -last bezogen ist.
Das Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise einen Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (DIA) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Jeder Controller weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem ROM gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen.
Die Algorithmen zur Motorsteuerung werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichereinrichtungen gespeichert sind, werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb des Motors unter Verwendung von voreingestellten Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden typischerweise während des laufenden Motorbetriebs 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 oder einer Unterbrechungsanforderung ausgeführt werden.
Nun auf 2A Bezug nehmend, ist ein beispielhaftes Abbild von Verbrennungsmoden unter verschiedenen Motordrehzahlbedingungen über Motorlastbedingungen für den beispielhaften Motor mit doppelter oben liegender Nockenwelle mit einem variablen Ventilbetätigungssystem dargestellt, das doppelte Nockenphasensteller und ein zweistufiges Stößelsystem aufweist. Der beispielhafte Motor arbeitet in dem HCCI-Modus über einen Bereich von Motordrehzahlen (”RPM”) und Motorlasten, wie sie durch die Kraftstoffmasse (”mg/cycle”) repräsentiert werden. Die Linie 110 stellt eine obere Grenze für den Motorbetrieb in den HCCI-Moden dar. Unter der Linie 110 befinden sich verschiedene Unterbereiche des HCCI-Betriebs, einschließlich der stöchiometrischen und der mageren HCCI-Moden. Die mageren HCCI-Moden sind gemäß Kraftstoffzufuhrstrategien weiter unterteilt (Linie 120), die allgemein einzelne Kraftstoffeinspritzungen bei hohen Teillasten und geteilte oder doppelte Einspritzungen unterhalb der hohen Teillasten begründen. Die Linie 130 stellt eine unter Grenze für den Motorbetrieb in einem reinen HCCI-Modus ohne äußere Zündungsquelle dar. Bekannte Strategien, um Motoren in der Zone unterhalb der Linie 130 zu betreiben, umfassen einen stöchiometrischen Standardzündungsmodus und Hybrid-HCCI-Moden mit Zündfunkenunterstützung in der Nähe des Übergangs zwischen dem Verdichtungs- und Ausdehnungstakt des Kolbens. Es ist jedoch einzusehen, dass die funkenunterstützten HCCI-Moden viele der Vorteile verlieren, die durch den reinen HCCI-Betrieb erzielt werden.
Die niedrigste Last, die in dem HCCI-Modus ohne Funkenunterstützung erzielbar ist, wird hauptsächlich durch die Temperatur der Verbrennungskammer begrenzt, die durch eine Kombination der Wärme des restlichen verbrannten Gases, der Verdichtungswärme solcher Gase und einer beliebigen Wärmeabgabe von einer Reformierung oder einer teilweisen Oxidation des Kraftstoffs erreichbar ist, der während der Wiederverdichtung des restlichen verbrannten Gases eingespritzt wird. Der HCCI-Betrieb kann nur stattfinden, wenn das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch in dem Verdichtungstakt eine Temperatur erreicht, die notwendig ist, um eine Selbstzündung in dem Kraftstoff-Luftgemisch zu starten.
Ein bekanntes Verfahren, um die für den HCCI-Betrieb notwendige Wärme in der Verbrennungskammer bei niedriger Last aufrechtzuerhalten, ist in 3A beschrieben, in welcher der Ventilhub, ein Maß für den offenen Zustand des Ventils, gegen den Kurbelwinkel gemessen wird. Die Position des Auslassventils wird durch die Linie 210 beschrieben, und die Position des Ansaugventils wird durch die Linie 200 beschrieben. Die Lücke in der Mitte von 3A zwischen den Linien 210 und 200 repräsentiert die negative Ventilüberlappung, bei der beide Ventile geschlossen sind und sich der Kolben von einem gewissen Abschnitt des Ausstoßtakts durch den oberen Totpunkt aufwärts bewegt und dann in dem Ansaugtakt absinkt. Da diese feste Masse des heißen verbrannten Gases, die von dem letzten Verbrennungszyklus übriggelassen wird, zu der oberen Totpunktposition des Kolbens hin eingefangen und verdichtet wird, steigt die Gastemperatur weiter an. Ein Verfahren, das als Doppeleinspritzung bekannt ist, verwendet dieses eingefangene, erwärmte, verbrannte Gas, spritzt Kraftstoff während einer gewissen Zeitspanne 220 während der negativen Ventilüberlappung in das verbrannte Gas ein und verwendet die hohe Temperatur in dem verbrannten Gas, um während der negativen Ventilüberlappung eine teilweise Verbrennung oder Reformierungsreaktion in dem Kraftstoff zu bewirken. Diese Reaktion bei dem Doppeleinspritzungsverfahren erhöht die Wärme in der Verbrennungskammer, und diese Wärme wird durch den Rest des Verbrennungszyklus getragen. Wie oben erwähnt, wird die untere Grenze des HCCI-Betriebs durch die minimale Wärme festgelegt, die in der Verbrennungskammer vorhanden sein muss, wenn der Verbrennungskammer in dem Verdichtungstakt eine zweite Einspritzung zugeführt wird, dargestellt in 3A durch die Zeitspanne 230, die dem resultierenden Kraftstoff-Luftgemisch ermöglichen kann, bei einem gewissen Punkt 240 eine minimale Selbstzündungstemperatur zu erreichen. Durch das Reformieren des Kraftstoffs in dem verbrannten Gas während der negativen Ventilüberlappung fügt das bekannte Verfahren der Doppeleinspritzung der Verbrennungskammer Wärme hinzu, wodurch die untere Grenze des HCCI-Betriebs ausgedehnt wird. Die bekannten Verfahren der Doppeleinspritzung weisen jedoch ihre Grenzen auf, beispielsweise kann bei zunehmend niedrigen Lasten die Verdichtung der verbrannten Gase während der negativen Ventilüberlappung nicht genügend hohe Temperaturen in dem verbrannten Gas erreichen, um die Prozesse der teilweisen Verbrennung oder Reformierung aufrechtzuerhalten. Diese Begrenzung kann durch eine Modulation von Phasen abgeschwächt werden, die der negativen Ventilüberlappung zugeordnet sind. Solch ein Verfahren zum Einstellen von Ventilphasen wird durch die gepunkteten und durchgezogenen Linien 210 und 200 von 3A repräsentiert. Die gepunkteten Linien zeigen einen Ventilbetrieb bei einer gewissen Last, die höher als die HCCI-Untergrenze ist und die in 2A oberhalb der Linie 130 repräsentiert wird. Die durchgezogenen Linien 210, 200 zeigen einen Ventilbetrieb bei einer Motorlast, die bezogen auf die Last verringert ist, welche durch die gepunktete Linie repräsentiert wird, aber noch oberhalb der Motorlast liegt, die durch die Linie 130 repräsentiert wird. Durch das Ausdehnen der negativen Ventilüberlappung schließt das Auslassventil früher während des Ausstoßtakts, wodurch mehr verbranntes Gas eingefangen wird. Die größere Masse des verbrannten Gases, die durch das frühere Schließen des Auslassventils eingefangen wird, wird weiterhin auf das gleiche Volumen in der Verbrennungskammer herunterverdichtet, bei dem sich der Kolben an dem oberen Totpunkt befindet. Die größere Verdichtung erzeugt höhere Temperaturen in der Verbrennungskammer und erlaubt die teilweise Verbrennung oder Reformierung des Kraftstoffs bei zunehmend niedrigeren Motorlasten. Die Modulation der Ventilphasen kann jedoch den Niedriglastbereich des HCCI-Betriebs nur soweit vergrößern. Bei einer gewissen niedrigen Last gelingt es der Verdichtung des verbrannten Gases während der negativen Ventilüberlappung nicht mehr, die Temperaturen zu erreichen, die erforderlich sind, um die teilweise Verbrennung zu erreichen, und die durch die Doppeleinspritzung abgegebene Wärme hört auf, zu der Verbrennungskammer hinzugefügt zu werden. Dieser Niedriglastpunkt, bei dem die Doppeleinspritzung aufhört, den HCCI-Betrieb zu unterstützen, ist durch die Linie 130 von 2A bezeichnet. Ohne die Wärme, die durch die Doppeleinspritzung hinzugefügt wird, gelingt es dem Kraftstoff-Luftgemisch in dem Verdichtungstakt nicht mehr, die Temperaturen zu erreichen, die für eine homogene Ladung erforderlich sind, um spontan zu verbrennen, und der Motor kann nicht länger in dem HCCI-Modus arbeiten. Es ist einzusehen, dass Verfahren, die das Erweitern der Niedriglastgrenze für den Motorbetrieb in einem gesamten mageren Modus erhöhen, viele der Vorteile der HCCI-Verbrennung (z. B. die Kraftstoffwirtschaftlichkeit) über einen größeren Betriebsbereich des Motors liefern würden.
Dies wird mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche bewerkstelligt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Daher wird, unter Bezugnahme auf 3B und gemäß der vorliegenden Offenbarung, eine Erweiterung der HCCI-Grenze bei niedriger Last bewirkt, indem das Doppeleinspritzungsverfahren mit der Hinzufügung einer äußeren Wärmequelle zu dem verbrannten Gas und dem Kraftstoffgemisch verwendet wird. Kraftstoff wird gemäß dem Doppeleinspritzungsverfahren während der Zeitspanne 220 in die Verbrennungskammer eingespritzt und bei Punkt 250 durch die Anwendung einer äußeren Wärmequelle gezündet. Vorzugsweise ist die Wärmequelle eine Zündkerze, und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Zündkerze sind auf eine solche Weise angeordnet, dass eine geschichtete, sprühungsgeführte Verbrennung bewirkt wird. Alternativ können wandgeführte Verbrennungstechniken verwendet werden. Aufgrund der relativ späten Einspritzung relativ zu dem oberen Totpunkt der Kolbenwiederverdichtung und der Notwendigkeit von spezialisierten Kolbenaushöhlungsgeometrien können wandgeführte Techniken weniger wünschenswert sein. Alternative äußere Wärmequellen können ebenso verwendet werden und umfassen beispielsweise Glühkerzen und heiße Punkte in der Verbrennungskammer. Heiße Punkte können die Form von lokalisierten Flächen hoher Temperatur annehmen, die durch Testen oder durch Flächen identifiziert werden, welche durch die Ausgestaltung erhitzt werden, indem beispielsweise Kühlleitungen leicht von einer Fläche weggeführt werden, um an einem besonderen Abschnitt einer Zylinderwand erhöhte Temperaturen zu erzeugen. Es ist daher einzusehen, dass der Kraftstoff, der während der negativen Ventilüberlappung eingespritzt wird, mindestens einer teilweisen Verbrennung, die durch die äußere Wärmequelle ausgelöst wird, und nicht nur einer Reformierung aufgrund der Wärme des wiederverdichteten restlichen Abgases und der äußeren Wärmequelle unterzogen wird. Eine signifikante zusätzliche Wärme wird dadurch in der Verbrennungskammer abgegeben, um Bedingungen zu bewirken, die bei dem Punkt 240 einer Selbstzündung eines zweiten Anteils des Kraftstoffs dienlich sind, der während der Zeitspanne 230 während des Verdichtungstakts eingespritzt wird, was mit oder ohne eine Funkenunterstützung erreicht werden kann.
Die Hinzufügung der Wärmequelle zu dem Kraftstoff, der während der negativen Ventilüberlappung vorhanden ist, verringert zusätzlich die Notwendigkeit, eine aggressive Ventilphaseneinstellung zu verwenden. Da die Wärmequelle vorhanden ist, um sicherzustellen, dass der in das verbrannte Gas eingespritzte Kraftstoff teilweise verbrannt wird, sind die Bedingungen in dem verbrannten Gas, die notwendig sind, um die teilweise Verbrennung zu erreichen, daher für eine gegebene Motorlast bei kleineren negativen Ventilüberlappungen erreichbar.
Die Vorteile der oben offenbarten Verfahren sind in 2B dargestellt. Die Linie 130 repräsentiert die Linie, bei der in das verbrannte Gas eingespritzter Kraftstoff bei bekannten Verfahren der Doppeleinspritzung aufhört, die Wärme hinzuzufügen, die erforderlich ist, um den HCCI-Betrieb aufrechtzuerhalten. Durch das Hinzufügen einer Wärmequelle zu dem Kraftstoff, der während der negativen Ventilüberlappung vorhanden ist, hängt die Hinzufügung der Wärme zu der Verbrennungskammer infolge der Doppeleinspritzung nicht länger von einem Aufrechterhalten einer besonderen Motorlast ab, um die Reformierung des Kraftstoffs in dem verbrannten Gas aufrechtzuerhalten. Daher kann der HCCI-Betrieb, der durch die während der Doppeleinspritzung hinzugefügte Wärme ermöglicht wird, bei Motorlasten unterhalb der Linie 130 erreicht werden, was durch die Fläche 140 repräsentiert wird. Auf diese Weise können die Vorteile des mageren HCCI-Modusbetriebs auf niedrige Lasten erweitert werden, die nicht fähig sind, bekannte Methoden der Doppeleinspritzung aufrechtzuerhalten.

Claims

Verfahren zum Erweitern des Niedriglastbetriebs eines Viertaktverbrennungsmotors (10) mit homogener Kompressionszündung, der eine Verbrennungskammer (20) mit variablem Volumen, die durch einen in einem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehenden Kolben (11) definiert wird, Ansaug- und Auslassdurchgänge sowie Ansaug- und Auslassventile (21, 23) aufweist, die während wiederholter, aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens (11) gesteuert werden, wobei das Verfahren umfasst: Verwenden einer Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70), um das Ansaugventil (21) und das Auslassventil (23) derart zu steuern, dass eine negative Ventilüberlappung erzeugt wird, wodurch verbrannte Gase in der Verbrennungskammer (20) eingefangen und wiederverdichtet werden, wobei das Verwenden eine kürzere negative Ventilüberlappung für einen Betrieb näher an einem Mittellastbetrieb des Motors (10) bewirkt und eine zunehmend längere negative Ventilüberlappung bewirkt, wenn die Motorlast abnimmt; Einspritzen eines Anteils des Kraftstoffs, der ein Teil der gesamten Kraftstoffmenge ist, die für einen Verbrennungszyklus in die Verbrennungskammer (20) eingespritzt wird, in die wiederverdichteten verbrannten Gase während der negativen Ventilüberlappung; gekennzeichnet durch Zünden mindestens eines Teils des Kraftstoffanteils mit einer Wärmequelle während der negativen Ventilüberlappung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden umfasst, dass eine Phase des Auslassventils (23) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden umfasst, dass eine Phase des Ansaugventils (21) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden umfasst, dass eine Phase des Auslassventils (23) und des Ansaugventils (21) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einstellen der Phase des Auslassventils (23) und des Ansaugventils (21) als eine abgestimmte Änderung ausgeführt wird, wobei eine beliebige Änderung in der Phase eines Ventils (21, 23) einer im Wesentlichen gleichen und entgegengesetzten Änderung in der Phase des anderen Ventils (21, 23) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einspritzen und Zünden eine geschichtete, sprühungsgeführte Verbrennung herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zünden mit einer Zündkerze (14) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zünden mit einer Glühkerze bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zünden mit einem heißen Punkt in der Verbrennungskammer (20) bewirkt wird.
Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einem Niedriglastbetrieb mit homogener Kompressionszündung, umfassend: eine Verbrennungskammer (20) mit variablem Volumen, die durch einen sich in einem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehenden Kolben (11) definiert ist; ein Ansaugventil (21) und ein Auslassventil (23); eine Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) zum Variieren einer Phaseneinstellung des Ansaug- und Auslassventils (21, 23), wobei das Ansaug- und Auslassventil (21, 23) durch die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) während sich wiederholender, aufeinander folgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens (11) gesteuert werden, wobei das Auslassventil schließt, bevor das Ansaugventil öffnet, um eine negative Ventilüberlappung zu erzeugen, wobei die negative Ventilüberlappung für einen höheren Niedriglastbetrieb kürzer und für einen niedrigeren Niedriglastbetrieb länger ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12), die während der negativen Ventilüberlappung Kraftstoff in die Verbrennungskammer (20) einspritzt; gekennzeichnet durch eine Wärmequelle, die angeordnet ist, um den Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung zu zünden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle eine Zündkerze (14) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle eine Glühkerze ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle ein heißer Punkt in der Verbrennungskammer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der heiße Punkt ein Abschnitt der Verbrennungskammer (20) ist, der durch Testen identifiziert wird, um konsistent hohe Temperaturen während des Niedriglastbetriebs zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der heiße Punkt ein Abschnitt der Verbrennungskammer (20) ist, der erzeugt wird, um in der Verbrennungskammer (20) entfernt von Kühlungsmerkmalen zu liegen, so dass der Abschnitt hohe Temperaturen während des Niedriglastbetriebs erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) die Phase des Ansaugventils (21) und/oder des Auslassventils (23) über mehrere Phasen einstellt, um die negative Ventilüberlappung einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) die Phasensteuerung des Ansaugventils (21) und/oder des Auslassventils (23) über einen kontinuierlichen Bereich von Phasen einstellt, um die negative Ventilüberlappung einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) eine mechanische Betätigung verwendet, um die Phase des Ansaugventils (21) und/oder des Auslassventils (23) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) eine elektrische Betätigung verwendet, um die Phasensteuerung des Ansaugventils (21) und/oder des Auslassventils (23) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung (60, 70) eine elektrohydraulische Betätigung verwendet, um die Phasensteuerung des Ansaugventils (21) und/oder des Auslassventils (23) einzustellen.