DE112007002941B4

DE112007002941B4 - Motor-Aufwärmen eines Motors mit homogener Kompressionszündung

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Publication number: DE112007002941B4
Application number: DE112007002941T
Authority: DE
Inventors: Tang-Wei Kuo; Paul M. Najt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: CN101568708A; CN101568708B; US20080140300A1; DE112007002941T5; WO2008073702A3; US7684925B2; WO2008073702A2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors (10), 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), die während wiederholter, aufeinanderfolgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens (11) gesteuert werden, ein Kraftstoffsystem mit Direkteinspritzung und ein Funkenzündungssystem aufweist, wobei das Verfahren umfasst: dass der Motor (10) während eines Motoranlassens bei Kaltstartbedingungen in einem vorbestimmten Motortemperaturbereich in einem Kaltstartmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 0 bis ungefähr 60 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken; ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotor-Steuersysteme.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen auf die vorliegende offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
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 Selbstzündungs-Verbrennungsprozess 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 ist, 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 und einen niedrigen Ventilhub. Eine solche Ventilsteuerung kann unter Verwendung von variablen Nockenphasenstellern und von Nocken mit zweistufigem Hub implementiert werden.
Während die oben erwähnten HCCI-Motorbetriebsstrategien auf umfangreichen stationären Tests unter Betriebsbedingungen mit vollständig aufgewärmtem Motor basieren, stellen ein Kaltstart und ein Motor-Aufwärmbetrieb einige zusätzliche Herausforderungen dar. Der Betrieb in dem HCCI-Modus, einschließlich der gesteuerten Selbstzündung eines Kraftstoff-Luftgemischs, hängt stark von dem Erreichen eines speziellen Ladungsdrucks und einer speziellen Ladungstemperatur bei einer gegebenen Kurbelwinkelposition ab. Bedingungen mit kaltem Motor beeinflussen die Fähigkeit der Ladung nachteilig, selbst zu zünden, und verhindern den HCCI-Betrieb. Während der Anmelder Verbesserungen der Kaltstart-(Umgebungs-)Betriebsweisen erfolgreich demonstriert hat, indem speziell ausgestaltete Verbrennungskammern verwendet werden, einschließlich von Kolbenaushöhlungen und Komponentenanordnungen (z. B. der Einspritzeinrichtung und der Zündkerze), ist der Übergang von dem Umgebungs- zu dem vollständig aufgewärmten Betrieb herausfordernd, während ein robuster HCCI-Motorbetrieb aufrecht erhalten wird und Abgas-Nachbehandlungssysteme verwaltet werden.
Aus der US 2006/0196469 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors bekannt, der eine Verbrennungskammer mit variablem Volumen, die durch einen in einem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehenden Kolben definiert wird, Ansaug- und Auslassdurchgänge sowie Ansaug- und Auslassventile, die während wiederholter, aufeinanderfolgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens gesteuert werden, ein Kraftstoffsystem mit Direkteinspritzung und ein Funkenzündungssystem aufweist. Das Verfahren umfasst, dass der Motor während eines Motoranlassens bei Kaltstartbedingungen in einem vorbestimmten Motortemperaturbereich in einem Kaltstartmodus betrieben wird, bei dem die Ansaug- und Auslassventile gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden zu bewirken, das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens zu liefern, und das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken.
In der DE 198 18 596 A1 ist ein ähnliches Verfahren beschrieben, das zusätzlich bei geringen Lasten einen niedrigen Ventilhub sowie ein frühes Schließen der Auslassventile und ein spätes Öffnen der Ansaugventile vorsieht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors zu schaffen, mit dem insbesondere während einer Kaltstart- und Aufwärmphase die Emissionen des Motors verringert werden und dessen Wirkungsgrad verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der eine Verbrennungskammer mit variablem Volumen, die durch einen in einem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und hergehenden Kolben definiert wird, Ansaug- und Auslassdurchgänge sowie Ansaug- und Auslassventile, die während wiederholter, aufeinanderfolgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens gesteuert werden, ein Direkteinspritzungs-Kraftstoffsystem und ein Funkenzündungssystem aufweist, umfasst während eines Motoranlassens bei Kaltstartbedingungen in einem vorbestimmten Motortemperaturbereich und für eine Dauer danach bis zu einer vorbestimmten Motortemperatur, dass der Motor in einem Startmodus mit Funkenunterstützung betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden zu bewirken, dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens zu liefern, und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine funkenunterstützte Zündung zu bewirken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbrennungsmotors ist, der für HCCI- und SI-Betriebsmoden gemäß der vorliegenden offenbarung ausgebildet ist;
2A und 2B eine abgestimmte Ventil-, Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkensteuerung darstellen, die gemäß einem ersten beispielhaften Verfahren der vorliegenden offenbarung verwendet wird, um funkenunterstützte Start- und Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken;
2A eine graphische Darstellung eines funkenunterstützten Startmodus in dem HCCI-Betrieb ist;
2B eine graphische Darstellung eines Aufwärmmodus in dem HCCI-Betrieb ist;
3A und 3B eine abgestimmte Ventil-, Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkensteuerung darstellen, die gemäß einem zweiten beispielhaften Verfahren der vorliegenden offenbarung verwendet wird, um Kaltstart- und Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken;
3A eine graphische Darstellung eines Kaltstartmodus in dem SI-Betrieb ist;
3B eine graphische Darstellung eines Aufwärmmodus in dem HCCI-Betrieb ist;
4A–4C eine abgestimmte Ventil-, Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkensteuerung darstellen, die gemäß einem dritten beispielhaften Verfahren der vorliegenden offenbarung verwendet wird, um Anlass- und Zündstartbetriebsmoden sowie Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken, einschließlich eines eingreifenden Katalysator-Heizmodus;
4A eine graphische Darstellung eines Anlass- und Zündstartmodus in dem SI-Betrieb ist;
4B eine graphische Darstellung eines Katalysator-Heizmodus in dem SI-Betrieb ist; und
4C eine graphische Darstellung eines Aufwärmmodus in dem HCCI-Betrieb ist;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 und eines Steuersystems 25, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden offenbarung konstruiert wurde. 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 Kühlmittel-Temperatursensor 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 Ansaugluft-Drosselventils (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 verwendbar 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 Ventilbetätigungseinrichtung, dargestellt als 60, dient dazu, das Öffnen und das Schließen jedes der Ansaugventile 21 zu steuern, und eine zweite Ventilbetätigungseinrichtung 70 dient dazu, das Öffnen und Schließen jedes der Auslassventile 23 zu steuern. Jede der Ventilbetätigungseinrichtungen 60, 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 VCP-Einrichtung 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. Beispielhafte VCP-Einrichtungen weisen wohlbekannte Nocken-Phasensteller auf. Die beispielhafte VLC-Einrichtung dient dazu, das Ausmaß des Ventilhubs in eine von zwei Positionen zu steuern: eine Position mit einem Hub von 3–5 mm für eine Öffnungsdauer von 120–150 Kurbelwinkelgraden und eine andere Position mit einem Hub von 9–12 mm für eine Öffnungsdauer von 220–260 Kurbelwinkelgraden. Beispielhafte VLC-Einrichtungen weisen wohlbekannte Nocken mit zweistufigem Hub auf. 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 oder elektrohydraulischer Einrichtungen, können ebenso verwendet werden und weisen den weiteren Vorteil einer 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.
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 Controller, Sensoren und Aktuatoren mittels eines Busses eines lokalen Rechnernetzes (”LAN”-Bus, nicht gezeigt) kommunizieren, der vorzugsweise eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen verschiedenen Controllern ermöglicht.
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 empfängt einen Motordrehmomentbefehl und erzeugt basierend auf den Betreibereingaben eine gewünschte Drehmomentabgabe. Beispielhafte Motorbetriebsparameter, die unter Verwendung der zuvor erwähnten Sensoren von dem Steuersystem 25 detektiert werden, umfassen die Motorkühlmitteltemperatur, die Kurbelwellendrehzahl (”RPM”) und -position, den Krümmerabsolutdruck, die Umgebungsluft-Strömung und -Temperatur und den Umgebungsluftdruck. Die Messungen der Verbrennungsleistung umfassen typischerweise gemessene und abgeleitete Verbrennungsparameter, einschließlich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, der Lage des Verbrennungsspitzendrucks, unter anderen.
Aktuatoren, die von dem Steuersystem 25 gesteuert werden, umfassen: Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 12; die VCP/VLC-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 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 (D/A) 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 den 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.
Wie oben erwähnt, ist der Betrieb in dem HCCI-Modus gegenüber dem Betrieb in dem SI-Modus, wenn die Betriebsbedingungen den HCCI-Modus erlauben, aufgrund von Vorteilen bevorzugt, wie beispielsweise einer effizienten Verbrennung, der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und von Emissionen. Bedingungen bei kaltem Motor, die mit Kaltstarts und den resultierenden kalten Temperaturen der Ladung verbunden sind, beeinträchtigen jedoch die gesteuerte Selbstzündung, die für den normalen HCCI-Betrieb erforderlich ist. Eine Anzahl von Verfahren ist offenbart, um Bedingungen bei kaltem Motor zu kompensieren. Die beschriebenen Verfahren verwenden Maßnahmen, um die Verbrennung für eine Ladung, die kälter als normal ist, zu vereinfachen, um die Motortemperatur zu überwachen, beispielsweise durch die Temperatur des Motorkühlmittels, und um automatisch in den normalen HCCI-Modus überzugehen, wenn die Motortemperatur einen Schwellenwert erreicht, der angibt, dass der normale HCCI-Modus möglich ist. Die verschiedenen hierin offenbarten Verfahren können isoliert oder als Teil einer Gesamtstrategie für einen Fahrzeugkaltstart verwendet werden, wobei das verwendete Verfahren von einer gemessenen Temperatur bei dem Start abhängt. Eine solche Kaltstartstrategie kann das zu verwendende Verfahren basierend auf der zu erwartenden Schwierigkeit des Startzyklus auswählen: Verfahren, die für leichtere Starts Kraftstoff-effizientere und emissionsfreundliche Motoreinstellungen und für schwierigere Starts effektivere oder Energie verbrauchende Motoreinstellungen verwenden.
Ein erstes Verfahren arbeitet ähnlich dem normalen HCCI-Modus und arbeitet während einer Aufwärmdauer an den Grenzen des HCCI-Betriebs mit großer bis maximaler NVO und Doppeleinspritzung, um der Verbrennungsladung so viel Wärme wie möglich zu erteilen. Im Gegensatz dazu fügt das erste Verfahren jedoch auch eine Funkenunterstützung hinzu, um die Verbrennung sicherzustellen, sogar wenn die Ladung zu kalt ist, um einer stabilen Selbstzündung unterzogen zu werden. Dieses erste Verfahren ist bei Bedingungen in der Nähe, aber nicht innerhalb des normalen HCCI-Betriebs am meisten nützlich, wobei einige der Vorteile des normalen HCCI-Betriebs aufrechterhalten werden, während der Verbrennungsprozess stabilisiert wird.
Ein zweites Verfahren wirkt aggressiver als das erste und verwendet den SI-Modus kurz für einen Startbetrieb, bevor für den Rest der Aufwärmdauer in den funkenunterstützten HCCI-Modus umgeschaltet wird. Der SI-Modus, der bei diesem Verfahren für den Start verwendet wird, verstärkt die Stabilitätsvorteile, die in der Technik mit der Standardzündung verbunden sind, während ein vergleichsweise Kraftstoff-effizientes Ventiltiming und Hubeinstellungen verwendet werden, die mit dem HCCI-Modus verbunden sind. Wenn der Betrieb in dem SI-Modus fortfährt, überschreitet die Motortemperatur ein gewisses kritisches Niveau, oberhalb dessen eine kalte HCCI oder eine funkenunterstützte HCCI möglich ist. Das zweite Verfahren geht dann während des Rests der Aufwärmdauer zu der funkenunterstützten HCCI über. Dieses zweite Verfahren ist bei Bedingungen mit kaltem Motor nützlich, wenn die Ladung zu kalt sein wird, um sich dem HCCI-Betrieb zu nähern, bis einige Zeit des SI-Betriebs vergangen ist; der Betrieb mit niedrigem Ventil, der bei diesem Verfahren verwendet wird, mildert jedoch die Auswirkung auf Motoreigenschaften, wie beispielsweise Kraftstoffeffizienz und Emissionen, die ein Umschalten in den SI-Modus mit hohem Ventil nach sich ziehen würde.
Ein drittes Verfahren wirkt aggressiver als jedes der ersten zwei Verfahren, verwendet einen ”Anlass- und Zünd”-SI-Modus mit vollständig offenem Ventil, um den Motor zu starten, und geht in einen SI-Katalysator-Heizmodus über. Dieser SI-Modus mit vollständig offenem Ventil zieht den vollen Nutzen aus der Fähigkeit, den Motor unter normalen Verbrennungsbedingungen zu starten, um die kältesten Startbedingungen zu überwinden. Keine Vorteile, die mit dem HCCI-Betrieb verbunden sind, werden in diesem vollständig offenen SI-Modus realisiert. Das dritte Verfahren mildert, sobald der Motorstart erreicht wurde, den SI-Modus mit vollständig offenem Ventil leicht in einen SI-Katalysator-Heizmodus ab, um eine Abgas-Behandlungseinrichtung in dem Abgassystem auf Betriebstemperatur zu bringen. Nachdem der Motor und die Abgas-Behandlungseinrichtung über eine kritische Temperatur gebracht sind, geht das dritte Verfahren letztlich für den Rest der Aufwärmdauer in einen kalten HCCI-Modus ähnlich den kalten HCCI-Moden der ersten zwei Verfahren über. Die offenbarung ist nicht dazu gedacht, auf die speziellen hierin beschriebenen Verfahren eingeschränkt zu werden: viele Permutationen des Gesamtansatzes sind vorstellbar. Verschiedene Verfahren, ihre Implementierung und Vorteile werden durch die offenbarung hierin offensichtlich werden.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B wird nun eine abgestimmte Ventil-, Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkensteuerung dargestellt, die gemäß einem ersten beispielhaften Verfahren der vorliegenden offenbarung verwendet wird, um Kaltstart- und Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken. Jede der
2A und 2B stellt entlang der horizontalen Achse einen Motorkurbelwinkel mit einer Referenz bei Null dar, die dem oberen Totpunkt (TDC) zwischen dem Ausstoß- und Ansaugtakt des Kolbens entspricht. Der Ansaug- und Ausstoßventilhub wird durch die vertikale Achse repräsentiert und umfasst allgemein Punkte bei niedrigem und hohem Hub wie dargestellt, die Nockenhüben mit niedrigem und hohem Hub entsprechen, die bei einer beispielhaften Hardware-Ausführungsform durch beispielhafte Nocken mit zweistufigem Hub aktiviert werden.
Ein Start-Motorbetrieb in einem funkenunterstützten HCCI-Modus oder ein funkenunterstützter Kaltstartmodus ist in 2A gezeigt und verwendet Nocken mit niedrigem Hub mit geteilter Einspritzung während des Motoranlassens, und ein solcher Betrieb wird während der Aufwärmzeitdauer fortgesetzt und geht in den üblichen HCCI-Betrieb über, wenn die Motortemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der Motorbedingungen angibt, die einem solchen HCCI-Betrieb dienlich sind. 2B stellt einen Übergang von dem Kaltstartbetrieb in dem funkenunterstützten HCCI-Modus zu dem Aufwärmbetrieb in dem funkenunterstützten HCCI-Modus dar. Die Motoreinstellungen in diesen beiden Betriebsstufen, die durch 2A und 2B repräsentiert werden, können bei einigen Ausführungsformen identisch sein, oder die Motoreinstellungen in dem Kaltstartbetrieb können verglichen mit den Motoreinstellungen in dem Aufwärmbetrieb bei einigen beispielhaften Ausführungsformen in Form einer längeren NVO (beispielsweise ungefähr 200 Kurbelwinkelgrade für den Startbetrieb, verglichen mit 180 Kurbelwinkelgraden für den Aufwärmbetrieb), eines höheren Massenverhältnisses der ersten Einspritzung gegenüber der zweiten Einspritzung (bis zu 50%, im Vergleich zu ungefähr 20% in dem Aufwärmbetrieb) und kleinerer Anpassungen des Einspritzungs- und Zündfunkenzeitpunkts leicht aggressiver sein. Es kann auch einen Übergang von einem nahezu stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis bei dem Kaltstartbetrieb zu einem mageren Kraftstoff-Luftverhältnis bei dem Aufwärmbetrieb geben. Diese Übergänge sind durch die Motortemperatur festgelegt, wie sie beispielsweise durch die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, und können auf eine gestufte Weise auftreten oder als eine Funktion der Motortemperatur allmählich eingephast werden. Während des Kaltstart- und Aufwärmbetriebs, wie er in 2A bzw. 2B gezeigt ist, wird der Motor mit einem stöchiometrischen bis mageren Luft/Kraftstoffverhältnis, mit Ventilereignissen mit verringertem Hub und verringerter Dauer, wie hierin oben bezogen auf Nocken mit niedrigem Hub beschrieben, einer maximalen bis großen NVO bei oder nahe den NVO-Grenzen des VCP und einer geteilten Einspritzung betrieben, wobei die erste Einspritzung (I₁) während der NVO stattfindet und die zweite Einspritzung (I₂) spät in dem Verdichtungstakt stattfindet. Ein bevorzugter Bereich für die NVO während des funkenunterstützten HCCI-Kaltstart- und Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des funkenunterstützten HCCI-Kaltstart- und -Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr –40 bis ungefähr 20 Kurbelwinkelgraden und für die zweite Teil-Kraftstofflieferung während des funkenunterstützten HCCI-Kaltstart- und -Aufwärmbetriebs bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die Zündfunkenlieferung während des funkenunterstützten HCCI-Kaltstart- und -Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden.
Unter Bezugnahme auf 3A und 3B ist nun eine andere abgestimmte Ventil-, Kraftstoff- und Zündfunkensteuerung dargestellt, die gemäß einem zweiten beispielhaften Verfahren der vorliegenden offenbarung verwendet wird, um die Kaltstart- und Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken. Jede der 3A und 3B stellt entlang einer horizontalen Achse einen Motorkurbelwinkel mit einer Referenz bei Null dar, die dem oberen Totpunkt (TDC) zwischen dem Ausstoß- und Ansaugtakt des Kolbens entspricht. Der Ansaug- und Ausstoßventilhub wird durch die vertikale Achse repräsentiert und umfasst allgemein Punkte bei niedrigem und hohem Hub wie dargestellt, die den Nockenhüben mit niedrigem und hohem Hub entsprechen, die durch die beispielhaften Nocken mit zweistufigem Hub der beispielhaften Hardware-Ausführungsform aktiviert werden.
Ein Start-Motorbetrieb in dem SI-Modus oder ein Kaltstartmodus ist in 3A gezeigt und verwendet Nocken mit niedrigem Hub mit geteilter Einspritzung mit nahezu stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis für das Aufwärmen des Motors und des Katalysators. Eine Umschaltung in den kalten HCCI-Modus (Aufwärmbetrieb) ist in 3B gezeigt, nachdem die Motortemperatur, wie sie beispielsweise durch die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, eine vorbestimmte kritische Temperatur erreicht, beispielsweise 50°C. Im Anschluss an den Aufwärmbetrieb wird ein Überleiten in den üblichen HCCI-Betrieb gesteuert, wenn die Motortemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der Motorbedingungen angibt, die für einen solchen HCCI-Betrieb dienlich sind. Während des SI-Modus wird der Motor mit einem nahezu stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis, mäßiger bis minimaler NVO und einer geteilten Einspritzung betrieben, wobei die erste Einspritzung (I₁) während der NVO stattfindet und die zweite Einspritzung (I₂) spät in dem Verdichtungstakt stattfindet. Während des kalten HCCI-Modus (Aufwärmbetrieb) wird der Motor mit einem stöchiometrischen bis mageren Luft/Kraftstoffverhältnis, mit Ventilereignissen mit verringertem Hub und verringerter Dauer, maximaler bis großer NVO und geteilter Einspritzung betrieben, wobei die erste Einspritzung während der NVO stattfindet und die zweite Einspritzung spät in dem Verdichtungstakt stattfindet. Bevorzugte Bereiche für die NVO während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs liegen bei ungefähr 0 bis ungefähr 60 Kurbelwinkelgraden und während des Aufwärmbetriebs bei ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs liegt bei ungefähr 0 bis ungefähr 60 Kurbelwinkelgraden und für die zweite Teil-Kraftstofflieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr –40 bis ungefähr 20 Kurbelwinkelgraden und für die zweite Teil-Kraftstofflieferung während des Aufwärmbetriebs bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die Zündfunkenlieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs liegt bei ungefähr 310 bis ungefähr 360 Kurbelwinkelgraden und während des Aufwärmbetriebs bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden.
Unter Bezugnahme auf die 4A–4C ist nun eine noch andere abgestimmte Ventil-, Kraftstoffzufuhr- und Zündfunkensteuerung dargestellt, die gemäß einem dritten beispielhaften Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, um die Kaltstart- und Aufwärmbetriebsmoden zu bewirken, einschließlich eines eingreifenden Abgas-Behandlungseinrichtungs-Heizmodus. Jede der 4A, 4B und 4C stellt entlang einer horizontalen Achse einen Motorkurbelwinkel mit einer Referenz bei Null dar, die dem oberen Totpunkt (TDC) zwischen dem Ausstoß- und Ansaugtakt des Kolbens entspricht. Der Ansaug- und Auslassventilhub wird durch die vertikale Achse repräsentiert und umfasst allgemein Punkte bei niedrigem und hohem Hub wie dargestellt, die Nockenhüben mit niedrigem und hohem Hub entsprechen, die durch die beispielhaften Nocken mit zweistufigem Hub der beispielhaften Hardware-Ausführungsform aktiviert werden.
Ein Start-Motorbetrieb in dem SI-Modus unter Verwendung von Nocken mit hohem Hub mit geteilter Einspritzung oder ein Anlass- und Zünd-Startmodus ist in 4A für einen bis mehrere Motorzyklen während des Motoranlassens gezeigt, bis der Motor startet. Anschließend ist in 4B ein Katalysator-Heizmodus unter Verwendung von Nocken mit hohem Hub gezeigt. Dann ist in 4C ein Umschalten in den kalten HCCI-Modus (Aufwärmbetrieb) gezeigt, der Nocken mit niedrigem Hub verwendet, nachdem der Katalysator und der Motor jeweilige Schwellenwert-Temperaturen erreichen. Im Anschluss an den Aufwärmbetrieb wird ein Überleiten in den üblichen HCCI-Betrieb gesteuert, wenn die Motortemperatur, wie sie beispielsweise durch die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der Motorbedingungen angibt, die für einen solchen HCCI-Betrieb dienlich sind. Während des Start-Motorbetriebs wird der Motor mit einem nahezu stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis, Ventilereignissen mit vollem Hub und voller Dauer, minimalem Ventilüberlapp und einer einzigen oder geteilten Einspritzung während des Verdichtungstakts betrieben. Anschließend geht der Motorbetrieb in einen Katalysator-Heizmodus über, bei dem das Luft/Kraftstoffverhältnis nahezu stöchiometrisch ist, die Ventilereignisse mit vollem Hub und voller Dauer aufrecht erhalten werden, ein mäßiges Niveau der NVO eingeführt wird, um Abgasemissionen zu minimieren, die Einspritzung zwischen dem Ansaugtakt (I₁) und dem Verdichtungstakt (I₂) geteilt ist und der Zündfunkenzeitpunkt nach spät verstellt ist, vorzugsweise später als der TDC des Verbrennungstakts (360 Grad). Diese Einstellung des Zündfunkenzeitpunkts auf einen gewissen Punkt nach dem TDC ist in der Technik als ein Verfahren bekannt, um zu bewirken, dass mehr von der Verbrennungswärme durch das Abgas aus der Verbrennungskammer austritt. Diese zusätzliche Wärme in dem Abgas bewirkt, dass das Aufheizen der Abgas-Behandlungseinrichtung beschleunigt wird. Sobald der Katalysator und der Motor jeweils kritische Temperaturen erreichen, geht der Motor in den kalten HCCI-Modus (Aufwärmbetrieb) über und wird mit einem stöchiometrischen bis mageren Luft/Kraftstoffverhältnis, Ventilereignissen mit verringertem Hub und verringerter Dauer, maximaler bis großer NVO und geteilter Einspritzung betrieben, wobei die erste Einspritzung (I₁) während der NVO stattfindet und die zweite Einspritzung (I₂) spät in dem Verdichtungstakt stattfindet. Bevorzugte Bereiche für die NVO während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs liegen bei ungefähr –40 bis ungefähr 0 Kurbelwinkelgraden, während des Katalysator-Heizbetriebs bei ungefähr 0 bis ungefähr 40 Kurbelwinkelgraden und während des Aufwärmbetriebs bei ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden. Wenn die geteilte Einspritzung während des Kaltstartbetriebs praktiziert wird, liegt ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs bei ungefähr 200 bis ungefähr 240 Kurbelwinkelgraden und für die zweite Teil-Kraftstofflieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs bei ungefähr 270 bis ungefähr 300 Kurbelwinkelgraden. Wenn ansonsten eine einzelne Einspritzung während des Kaltstartbetriebs praktiziert wird, liegt ein bevorzugter Bereich für die Kraftstofflieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs bei ungefähr 240 bis ungefähr 300 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des Katalysator-Heizbetriebs liegt bei ungefähr 70 bis ungefähr 110 Kurbelwinkelgraden und für den zweiten Teilkraftstoff während des Katalysator-Heizbetriebs bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die erste Teil-Kraftstofflieferung während des Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr –40 bis ungefähr 20 Kurbelwinkelgraden und für den zweiten Teilkraftstoff während des Aufwärmbetriebs ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die Zündfunkenlieferung während des SI-Modus-Kaltstartbetriebs liegt bei ungefähr 310 bis ungefähr 0 Kurbelwinkelgraden, wenn die geteilte Einspritzung praktiziert wird, und bei ungefähr 310 bis ungefähr 0 Kurbelwinkelgraden, wenn die einzelne Einspritzung praktiziert wird. Ein bevorzugter Bereich für die Zündfunkenlieferung während des Katalysator-Heizbetriebs liegt bei ungefähr 360 bis ungefähr –330 Kurbelwinkelgraden. Ein bevorzugter Bereich für die Zündfunkenlieferung während des Aufwärmbetriebs liegt bei ungefähr 300 bis ungefähr 350 Kurbelwinkelgraden.
Wie zuvor erwähnt, können die obigen Verfahren in einem speziellen Fahrzeug isoliert oder in einer beliebigen Kombination verwendet werden. Motorausgestaltungen und -kalibrierungen sind sehr komplex und können stark von Anwendung zu Anwendung variieren. Beispielsweise könnte eine Anwendung aus Gründen, die eine Motorausbildung in einem speziellen Fahrzeug betreffen, das zweite Verfahren auslassen: wenn die Starttemperatur unter dem normalen HCCI-Betrieb, aber oberhalb einer Schwellenwerttemperatur liegt, wird das erste Verfahren verwendet; wenn die Starttemperatur unterhalb der Schwellenwerttemperatur liegt, wird das dritte Verfahren verwendet. Viele Strategien der Implementierung sind vorstellbar, und die Verwendung dieser Verfahren ist nicht dazu gedacht, auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen und Kombinationen beschränkt zu werden. Die Auswahl zwischen den verschiedenen Verfahren kann durch einen einzelnen Parameter festgelegt werden, wie beispielsweise die Motortemperatur, wie sie beispielsweise durch die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, oder die Auswahl kann eine Funktion einer Anzahl von Variablen sein, welche die Funktionsfähigkeit der HCCI-Verbrennung bei Bedingungen mit kaltem Motor berühren, wie beispielsweise die Motortemperatur, die Kraftstoffart und die Wartungshistorie, wie beispielsweise die Zeit seit dem letzten Ölwechsel.
Die offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die offenbarung nicht auf die spezielle(n) Ausführungsform(en) eingeschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors (10), 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), die während wiederholter, aufeinanderfolgender Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Ausdehnungstakte des Kolbens (11) gesteuert werden, ein Kraftstoffsystem mit Direkteinspritzung und ein Funkenzündungssystem aufweist, wobei das Verfahren umfasst: dass der Motor (10) während eines Motoranlassens bei Kaltstartbedingungen in einem vorbestimmten Motortemperaturbereich in einem Kaltstartmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 0 bis ungefähr 60 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken; und dass der Motor (10) nach dem Betreiben des Motors (10) in dem Kaltstartmodus in einem ersten Aufwärmmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Motors (10) in dem ersten Aufwärmmodus den Motor (10) ausreichend erwärmt, so dass der nachfolgende Motorbetrieb zu einem Betrieb mit homogener Kompressionszündung ohne Funkenunterstützung fähig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: dass der Motor (10) während des Motoranlassens bei Kaltstartbedingungen in einem zweiten vorbestimmten Motortemperaturbereich, der kälter als der vorbestimmte Motortemperaturbereich ist, in einem Anlass- und Zünd-Startmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine minimale Ventilüberlappung mit vollem Hub von nicht mehr als ungefähr 40 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine geteilte oder eine einzelne Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken; dass der Motor (10) im Anschluss an das Betreiben des Motors (10) in dem Anlass- und Zünd-Startmodus in einem Katalysator-Heizmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit vollem Hub in einem Bereich von ungefähr 0 bis ungefähr 40 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während des Ansaugtakts des Kolbens (11) und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Verstellung der Funkenzündung nach spät zu bewirken; und dass der Motor (10) im Anschluss an das Betreiben des Motors (10) in dem Katalysator-Heizmodus in einem zweiten Aufwärmmodus betrieben wird, der umfasst: dass die Ansaug- und Auslassventile (21, 23) gesteuert werden, um eine negative Ventilüberlappung mit partiellem Hub in einem Bereich von ungefähr 180 bis ungefähr 200 Kurbelwinkelgraden zu bewirken; dass das Kraftstoffsystem gesteuert wird, um eine erste Einspritzung von Kraftstoff während der negativen Ventilüberlappung und eine zweite Einspritzung von Kraftstoff während des Verdichtungstakts des Kolbens (11) zu liefern; und dass das Funkenzündungssystem gesteuert wird, um eine Funkenzündung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Betreiben des Motors (10) in dem zweiten Aufwärmmodus den Motor (10) ausreichend erwärmt, so dass der nachfolgende Motorbetrieb zu einem Betrieb mit homogener Kompressionszündung ohne Funkenunterstützung fähig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Steuern des Funkenzündungssystems, um eine Verstellung der Funkenzündung nach spät zu bewirken, eine Zündung nach dem oberen Totpunkt bewirkt.