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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotor-Steuersysteme.
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HINTERGRUND
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Die
Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen
auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der
Technik dar.
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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 (nachstehend ”HCCI”-Motoren)
bezeichnet.
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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.
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Ein
typischer HCCI-Motor ist von einem herkömmlichen Funkenzündungsmotor
dadurch unterscheidbar, dass die Zündung des Ladungsgemischs unter
speziellen Motorbetriebsbedingungen durch eine Verdichtung des Ladungsgemischs
verursacht wird. Der typische HCCI-Motor wechselt in Abhängigkeit
von vorbestimmten Betriebsbedingungen zwischen dem HCCI-Verbrennungsmodus
und einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung.
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Die
Anmelder haben die Steuerung eines glatten Wechsels zwischen dem
HCCI- und einem SI/NTLC-Verbrennungsmodus (SI-Verbrennungsmodus
mit ungedrosselter Laststeuerung) unter Verwendung von Umschaltungsmechanismen
für ein
doppelt unabhängiges,
zweistufiges Nockenprofil erfolgreich demonstriert. Insbesondere
kann ein Wechsel von dem HCCI- in den SI/NTLC-Betrieb durch eine
Nockenphaseneinstellung von Einlassnocken mit niedrigem Hub mit
einem frühen
Schließen
eines Einlassventils (EIVC) in Verbindung mit einer Profilumschaltung
von HCCI-Auslassnockenprofilen mit niedrigem Hub auf SI-Auslassnockenprofile
mit hohem Hub realisiert werden. Der SI/NTLC-Motorbetrieb ist auch
unter Verwendung einer Nockenphaseneinstellung des SI-Einlassnockens
mit hohem Hub bei einem späten Schließen des
Einlassventils (LIVC) möglich,
wenn eine gleichzeitige Umschaltung sowohl des Einlass- als auch des Auslassnockenprofils
zwischen dem HCCI-Nocken mit niedrigem Hub und dem SI-Nocken mit
hohem Hub angeordnet wird.
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In
Abhängigkeit
von dem Hub und der Dauer, die sowohl für die HCCI- als auch für die SI-Nocken verwendet
werden, und von dem Einflussbereich und der Anstiegsgeschwindigkeit
des Nockenphasenstellers kann jedoch ein glatter Wechsel zwischen
dem HCCI- und dem SI/NTLC-Verbrennungsmodus oberhalb einer bestimmten
Motordrehzahl unmöglich sein.
Insbesondere existiert oberhalb einer bestimmten Motordrehzahl eine
Lücke zwischen
der höchsten mit
dem HCCI-Betrieb erreichbaren Last und der niedrigstem mit dem SI/NTLC-Betrieb
erreichbaren Last. 2 stellt beispielsweise eine
Motordrehzahlgrenze von im Wesentlichen 2000 U/min dar, wenn ein
Spitzenhub von 4 mm und eine Einlassdauer von 120 Grad sowie HCCI-Auslassventil-Hubprofile
bzw. ein typischer Spitzenhub von 10 mm und eine Einlassdauer von
240–260
Grad sowie SI-Auslassventil-Hubprofile
verwendet werden. Die höchste
mit dem HCCI-Betrieb
erreichbare Last ist durch das Klingeln begrenzt (Klingelgrenze
= 3 MW/m2), während die niedrigste mit dem
SI/NTLC-Betrieb erreichbare Last durch die Verbrennungsstabilität begrenzt ist
(COV des IMEP = 3%). Die HCCI-Klingelgrenze resultiert aus einer
Unfähigkeit,
eine ausreichende Ladungsverdünnung
mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub einzuleiten. Die Stabilitätsgrenze
der SI-Verbrennung resultiert aus einer übermäßigen Ladungsverdünnung mit
dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub. Die Anmelder haben erfolgreich demonstriert,
dass eine selektive Zylinderdeaktivierung durch eine Kraftstoffabschaltung
verwendet werden kann, um die Motor-Betriebsgrenze bei niedriger
Last in dem SI-Verbrennungsmodus auszuweiten, indem ein stabiler
Betrieb der aktiven Zylinder ermöglicht
wird. Alternativ wird angenommen, dass komplexere Umschaltungsmechanismen
für das
Nockenprofil (z. B. dreistufige Nockenprofile) oder kontinuierlich
variable Ventiltriebe erfolgreich ver wendet werden könnten, um
sowohl die HCCI-Betriebsgrenze bei hoher Last als auch die SI-Betriebsgrenze
bei niedriger Last auszuweiten und die Lücke zwischen dem HCCI- und
dem SI-Betrieb zu schließen
(beispielsweise durch einen dazwischenliegenden Hub und eine dazwischenliegende
Dauer). Eine Alternative unter Verwendung des weniger komplexen
zweistufigen Umschaltungsmechanismus für das Nockenprofil und ohne
zusätzliche
Zylinderabschaltungshardware ist jedoch wünschenswert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Verfahren zum Wechseln des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit
Funkenzündung
und Direkteinspritzung, der einen zweistufigem Ventiltrieb mit variabler
Phase aufweist, zwischen einem HCCI- und einem SI-Modus umfasst, dass
ein ungedrosselter stöchiometrischer
SI-Betrieb mit einem niedrigen Hub eines Einlassventils geschaffen
wird, welcher zwischen einem HCCI-Modus mit einem niedrigen Hub
eines Auslassventils und des Einlassventils und einem ungedrosselten
SI-Modus mit einem hohen Hub des Auslassventils und des Einlassventils
liegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
oder mehrere Ausführungsformen
werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden
Offenbarung ist;
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2 eine
graphische Darstellung verschiedener Betriebsgebiete eines beispielhaften
Verbrennungsmotors mit Di rekteinspritzung gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist;
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3 ein
erster beispielhafter Betrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist, um einen glatten Wechsel zwischen HCCI- und SI-Modi zu bewirken;
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4 eine
Datengraphik ist, die einen beispielhaften Einlassventil-Spitzenhub
während
Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem ersten beispielhaften
Betrieb von 3 und gemäß der vorliegenden Offenbarung
darstellt;
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5 eine
Datengraphik ist, die einen beispielhaften Auslassventil-Spitzenhub
während Wechseln
zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem ersten
beispielhaften Betrieb von 3 gemäß der vorliegenden
Offenbarung darstellt;
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6 ein
zweiter beispielhafter Betrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist, um einen glatten Wechsel zwischen HCCI- und SI-Modi zu bewirken;
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7 eine
Datengraphik ist, die einen beispielhaften Einlassventil-Spitzenhub
während
Wechseln zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem zweiten beispielhaften
Betrieb von 6 und gemäß der vorliegenden Offenbarung
darstellt; und
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8 eine
Datengraphik ist, die einen beispielhaften Auslassventil-Spitzenhub
während Wechseln
zwischen HCCI- und SI-Modi gemäß dem zweiten
beispielhaften Betrieb von 6 und gemäß der vorliegenden
Offenbarung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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 Erfindung konstruiert wurde. Die gezeigte Ausführungsform
wird als Teil eines Gesamtsteuerschemas eingesetzt, um einen beispielhaften
Benzin-Viertaktverbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, doppelter
oben liegender Nockenwelle, Funkenzündung und Direkteinspritzung
zu betreiben, der ausgebildet ist, um unter einem gesteuerten Selbstzündungsprozess
zu arbeiten, der auch als Modus mit homogener Kompressionszündung (”HCCI”-Modus)
bezeichnet wird.
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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 her
gehenden 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 Einlassluft-Drosselventils (nicht gezeigt).
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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 her
gehende Weise aufwärts
und abwärts.
Die Drehbewegung der Kurbelwelle bewirkt eine Übersetzung einer linearen Kraft,
die auf jeden Kolben während
der Verbrennung ausgeübt
wird, in eine Winkeldrehmomentausgabe von der Kurbelwelle, die auf
eine andere Einrichtung, wie z. B. einen Fahrzeugantriebsstrang, übertragen werden
kann.
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Der
Motorkopf 27 umfasst eine Gussmetalleinrichtung mit einer
oder mehreren Einlassöffnungen 17 und
einer oder mehreren Auslassöffnungen 19,
die zu der Verbrennungskammer 20 führen. Eine Einlassöffnungsdrossel
kann ebenso zweckmäßigerweise
bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
verwendet werden, wie hierin unten weiter beschrieben wird. Die
Einlassöffnung 17 liefert
Luft an die Verbrennungskammer 20. Verbrannte (abgebrannte)
Gase strömen über die
Auslassöffnung 19 aus
der Verbrennungskammer 20. Die Luftströmung durch jede Einlassöffnung wird
durch eine Betätigung eines
oder mehrerer Einlassventile (IV) 21 gesteuert. Die Strömung der
verbrannten Gase durch jede Auslassöffnung wird durch eine Betätigung eines
oder mehrerer Auslassventile (EV) 23 gesteuert.
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Die
Einlass- 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 Schließen jedes
der Einlassventile 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 Nockenphaseneinstellung
(”VCP”) aufweist.
Die VCP-Einrichtung dient dazu, den Zeitpunkt des Öffnens oder
Schließens
jedes Einlassventils und jedes Auslassventils relativ zu einer Drehposition
der Kurbelwelle zu steuern, und sie öffnet jedes Ventil für eine feste
Kurbelwinkeldauer. Die beispielhafte VLC-Einrichtung dient dazu, die Größe des Ventilhubs
in eine von zwei Positionen zu steuern, eine Position mit einer
Größe des Hubs
von 3–5
mm für
eine Öffnungsdauer
von 120–150
Kurbelwinkelgraden und eine Position mit einer Größe des Hubs von
9–12 mm
für eine Öffnungsdauer
von 220–260 Kurbelwinkelgraden.
Einzelne Ventilbetätigungseinrichtungen
können
der gleichen Funktion mit der gleichen Wirkung dienen. Die Ventilbetätigungseinrichtungen
werden vorzugsweise durch das Steuersystem 25 gemäß vorbestimmten
Steuerschemata gesteuert. Ein spezieller Aspekt eines Steuerschemas, um
das Öffnen
und Schließen
der Ventile zu steuern, ist hierin beschrieben.
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Luft
wird durch einen Einlasskrümmerkanal 50,
der gefilterte Luft empfängt,
die durch eine bekannte Luftmesseinrichtung und eine Drosseleinrichtung
(nicht gezeigt) strömt,
zu der Einlassöffnung 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. Der Abgassensor 40 kann
eine beliebige von verschiedenen bekannten Detektionseinrichtungen
umfassen, die dazu dienen, parametrische Werte für den Abgaszustrom, 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
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.
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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 -befehlen zwischen verschiedenen Controllern
ermöglicht.
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Das
Steuersystem 25 ist funktional mit dem Motor 10 verbunden
und wirkt derart, dass parametrische Daten von Sensoren erfasst
werden bzw. eine Vielfalt von Aktuatoren des Motors 10 über mehrere diskrete
Leitungen gesteuert wird, die gemeinsam als aggregierte Leitung 45 gezeigt
werden. Das Steuersystem 25 empfangt einen Motordrehmomentbefehl und
erzeugt basierend auf den Betreibereingaben eine gewünschte Drehmomentabgabe.
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 Messwerte der Verbren nungsleistung
umfassen typischerweise gemessene und abgeleitete Verbrennungsparameter,
einschließlich
des Luft/Kraftstoffverhältnisses,
der Lage des Verbrennungsspitzendrucks, unter anderen.
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Aktuatoren,
die von dem Steuersystem 25 gesteuert werden, umfassen:
Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 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 Kraftstoff-Einspritzeinrichtung 12 dient vorzugsweise
dazu, Kraftstoff direkt in jede Verbrennungskammer 20 einzuspritzen.
Spezielle Details beispielhafter Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen
zur Direkteinspritzung sind bekannt und werden hierin nicht ausführlich beschrieben.
Die Zündkerze 14 wird von
dem Steuersystem 25 verwendet, um die Zündzeitpunkt-Steuerung des beispielhaften
Motors über Abschnitte
des Motordrehzahl- und Motorlastbetriebsbereichs zu verbessern.
Wenn der beispielhafte Motor in dem HCCI-Modus betrieben wird, verwendet der
Motor keine aktivierte Zündkerze.
Es hat sich als wünschenswert
herausgestellt, die Funkenzündung zum
Ergänzen
des HCCI-Modus unter bestimmten Bedingungen zu verwenden, einschließlich beispielsweise
während
eines Kaltstarts, bei Betriebsbedingungen mit niedriger Last in
der Nähe
einer Niedriglastgrenze und zum Vermeiden von Verschmutzung. 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.
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Das
Steuersystem 25 umfasst vorzugsweise ein Zylinder-Deaktivierungssystem,
das dazu dient, eine Teilmenge der Gesamtzahl der Zylinder selek tiv zu
deaktivieren. Ein Zylinder-Deaktivierungsmodus gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst, dass eine Kraftstoffströmung
zu den deaktivierten Zylindern während
der Dauer der Deaktivierung unterbrochen wird. Der Zylinder-Deaktivierungsmodus
kann umfassen, dass das Öffnen
der Einlass- und/oder Auslassventile gleichzeitig mit dem Unterbrechen
der Kraftstoffströmung
zu den speziellen Zylindern abgeschaltet wird. Das Steuersystem
erfüllt
den Motor-Drehmomentbefehl, indem die Drehmomentabgabe von den aktivierten
Zylindern während
der Zeitdauer erhöht
wird, wenn der Zylinder-Deaktivierungsmodus eingeschaltet ist.
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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.
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Die
Algorithmen zur Motorsteuerung werden typischerweise während voreingestellter
Schleifenzyklen ausgeführt,
so dass jeder Algorithmus mindestens einmal für jeden 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.
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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
ausgeführt
werden.
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Nun
auf 2 Bezug nehmend, ist eine graphische Darstellung
von Gebieten des Motorbetriebs unter unterschiedlichen Bedingungen
für den
beispielhaften Motor mit doppelter obenliegender Nocke und mit einem
variablen Ventilbetätigungssystem
gezeigt, das doppelte Nockenphasensteller und ein zweistufiges Stößelsystem
aufweist. Der beispielhafte Motor ist über einen Bereich von Motordrehzahlen, in
Umdrehungen pro Minute (”U/min”), und
Motorlasten, in Einheiten von Kilopascal für den mittleren effektiven
Nettodruck (”NMEP
(kPa)”),
in dem HCCI-Modus betriebsfähig.
Linie A stellt eine untere Grenze für den Motorbetrieb in einem
mageren HCCI-Modus dar, unterhalb derer einer oder mehrere der Zylinder
nicht mit Kraftstoff versorgt sind, was eine Betriebsbedingung bei
niedriger Drehzahl/niedriger Last darstellt. Bei einer solchen beispielhaften Ausbildung
wird eine Ermittlung bezüglich
der Last an dem Motor und/oder der Last an einzelnen Zylindern sowie
bezüglich
der Motordrehzahl durchgeführt,
und ein Algorithmus schaltet Kraftstoffe für ausgewählte Zylinder ab und implementiert
bestimmte Ventilstrategien, um diese optimal zu deaktivieren. Indem
nur ein Teil der Zylinder verwendet wird, wird die Last erhöht, unter
der die übrigen
betriebenen Zylinder arbeiten, was den HCCI-Betrieb bei niedrigeren
Gesamt-Motorlasten ermöglicht.
Bei dieser Ausbildung wird die Motorlast kontinuierlich überwacht, und
die Zylinder werden reaktiviert, wenn es in Abhängigkeit von der Motorlast
und -drehzahl angemessen ist. Linie B stellt eine obere Grenze für den Motorbetrieb
in dem mageren HCCI-Modus dar, wobei allen Zylindern Kraftstoff
zugeführt
wird. Linie C stellt eine obere Grenze für den Motorbetrieb in einem
stöchiometrischen
HCCI-Modus dar, wobei alle Zylinder mit Kraft stoff versorgt sind.
Linie D stellt eine untere Grenze für den Motorbetrieb in einem
ungedrosselten stöchiometrischen
Funkenzündungsmodus
(”SI”) dar,
wobei alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt sind. Linie D wird typischerweise
basierend auf der Motor-Verbrennungsstabilität ermittelt, wie sie durch
den Koeffizienten der Variabilität
des mittleren effektiven Drucks gemessen wird (”COV-IMEP”). Es kann eine obere Grenze
für den
Motorbetrieb in dem SI-NTLC-Modus geben, oberhalb derer der Motor vorzugsweise
in einem gedrosselten stöchiometrischen
SI-Modus betrieben wird (nicht gezeigt). Das schattierte Gebiet,
das durch den Buchstaben F dargestellt ist, umfasst ein Gebiet,
in dem der Motor unfähig
ist, mit allen Zylindern in dem HCCI-Modus akzeptabel zu arbeiten,
und indem er unfähig
ist, in dem SI-Modus (”Funkenzündungs”-Modus)
mit allen Zylindern akzeptabel zu arbeiten. Der SI-Modus umfasst
einen Betrieb, bei dem die Nockenphasensteller gesteuert werden,
um die Öffnungs-/Schließzeitpunkte
der Ventile derart einzustellen, dass die Menge der Lufteinleitung
ohne Drosselung in dem Lufteinlasssystem gesteuert wird. Dies ergibt,
gekoppelt mit der Kraftstoff-Direkteinspritzung in den Zylinder, einen
Last-Steuermechanismus ähnlich
demjenigen, der bei Dieselmotoren verwendet wird.
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In
Abhängigkeit
von dem speziellen Ventilhub und der speziellen Ventildauer, die
für die
Einlass- und Auslassnockenwellen des beispielhaften HCCI-Motors
verwendet werden, gibt es eine Notwendigkeit für einen glatten Wechsel 201 zwischen dem
HCCI-Modus und dem SI-Modus, wenn der Motor um den Motor-Drehzahlbereich
von 3000 U/min herum und über
diesen hinweg betrieben wird, insbesondere in dem Gebiet, das in 2 durch
den Buchstaben identifiziert wird. Insbesondere existiert eine Lücke zwischen
der höchsten
in dem HCCI-Modus erreichbaren Last und der niedrigsten mit dem
SI-Betrieb erreichbaren Last oberhalb einer Motordrehzahl von ungefähr 2000
U/min (siehe z. B. 2), wenn ein System mit 2-stufigem
Ventilhub verwendet wird. Die höchste
in dem HCCI-Modus erreichbare Last ist durch das Klingeln begrenzt
(durch das von der Verbrennung erzeugte Geräusch). Die niedrigste in dem SI-Betrieb
erreichbare Last ist durch die Verbrennungsstabilität begrenzt
(COV-IMEP = 3%). Die HCCI-Klingelgrenze resultiert aus einer Unfähigkeit, eine
ausreichende Ladungsverdünnung
mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub einzuleiten. Die SI-Grenze
resultiert aus einer übermäßigen Ladungsverdünnung mit
dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub.
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Um
daher die Lücke
zwischen dem HCCI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub
und dem SI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub unter
Verwendung eines 2-stufigen CPS-Mechanismus zu überbrücken und unter weiterer Bezugnahme
auf 3–5,
wird gemäß einer
Ausführungsform,
die bei einer beispielhaften Motordrehzahl von 3000 U/min betrieben
wird, ein Wechsel von einem mageren oder stöchiometrischen HCCI-Betrieb
(mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 311, 313 in einen
ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 und
in einen ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 gesteuert. 4 und 5 zeigen die
Lage des Spitzenhubs der Einlass- bzw. Auslassventile bei verschiedenen
Motorlastbedingungen. Zusammen stellen sie eine Ausführungsform
bei einem Motor dar, der mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder aufweist,
von denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassöffnungsdrossel
aufweist, die während
des ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betriebs (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 betätigt wird.
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Wenn
von dem stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in den
ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 gewechselt wird, ist
es erforderlich, dass die Lage des Spitzenhubs des geöffneten
Einlassventils um mehr als 50 CAD verändert wird, um die Luftströmung durch
das Einlassventil ausreichend zu verringern, um einen ungedrosselten
stöchiometrischen
Motorbetrieb zu ermöglichen.
Wenn diese Strategie bei einem Übergangs-Motorbetrieb
verwendet wird, ist ein schneller Mechanismus für die Nockenphaseneinstellung/das
Ventiltiming notwendig. Für
den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit
niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten
stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 ist es erforderlich,
dass die Lage des Einlassventil-Spitzenhubs um ungefähr 80 CAD
zusätzlich
zu einer Erhöhung
des Ventil-Spitzenhubs verändert
wird. Die Einlassöffnungsdrossel
erlaubt, dass die Luftströmung durch
das zugeordnete Einlassventil unabhängig von der Ventilbetätigung eingeschränkt wird,
und sie ermöglicht
kleinere Phasenänderungen
der Einlassnocken, um äquivalente
Effekte zu bewirken. Daher kann eine Hardware für die Nockenphaseneinstellung
mit verringerten Einflussbereich verwendet werden, wenn sie mit
einer Einlassöffnungsdrosselung gekoppelt
wird, und ein kleinerer Dynamikbereich und kleinere Anstiegsgeschwindigkeiten
der Hardware für
die Nockenphaseneinstellung können
erforderlich sein, um eine äquivalente
Einlassluftsteuerung zu bewirken. Mit anderen Worten würde, wie
in 4 dargestellt, während eine doppelte Einlassöffnung/ein
doppeltes Einlassventil mit einer Einlassöffnungs-Drosselergänzung eine Nockenphasenänderung
von im Wesentlichen 60 Grad erfordert, um den Wechsel von dem stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in
den ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 zu
bewirken, eine solche Anordnung mit doppeltem Einlassventil ohne
Einlassöffnungsdrossel
eine größere Phasenänderung
erfordern, um einen akzeptierbaren Wechsel in den ungedrosselten
stöchiometrischen SI-Betrieb
(mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 und einen akzeptierbaren
Betrieb in diesem zu bewirken. Und angesichts dessen, dass der ungedrosselte
stöchiometrische
SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 zumindest
bei den jeweiligen Übergangen
(321, 323) sogar eine größere Kurbelwinkelseparierung
zwischen den EV- und den IV-Spitzenhüben als der stöchiometrische
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 aufweist,
sind die Vorteile sogar akuter, von dem ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und
niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 mit kleineren Nockenphasenänderungen
zu wechseln, die durch mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder ermöglicht werden, von
denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassöffnungsdrossel aufweist, die
während
des ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betriebs (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 betätigt wird.
-
Wenn
von dem stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 313 in den
ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 315 gewechselt wird,
wird die Lage des Spitzenhubs des Auslassventils/der Auslassventile
um mehr als 40 CAD geändert,
um das innere Restniveau ausreichend zu verringern, um die Flammenausbreitung
zu erleichtern. Für
den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit
niedrigem EV- und
niedrigem IV-Hub) 315 in den ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
hohem EV- und hohem IV-Hub) 317 wird die Lage des Auslassventil-Spitzenhubs
um ungefähr
70 CAD zusätzlich
zu einer Erhöhung
des Ventil-Spitzenhubs geändert.
-
Wenn
zwei Einlassventile anstelle von einem wirksam sind (d. h. keine
Einlassöffnungsdrosselung) oder
wenn ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub oder unterschiedliche Öffnungsdauern
verwendet werden, werden sich die gezeigten Kurven für die Lage
des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile verschieben, die
dargestellten Trends werden aber die gleichen bleiben.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform,
um die Lücke
zwischen dem HCCI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen niedrigen Nockenhub
und dem SI-Betrieb mit dem vorgeschriebenen hohen Nockenhub unter
Verwendung eines 2-stufigen CPS-Mechanismus zu überbrücken und unter weiterer Bezugnahme auf 6–8,
wobei die gegenwärtige
beispielhafte Ausführungsform
mit einer beispielhaften Motordrehzahl von 3000 U/min betrieben
wird, wird ein Wechsel von einem mageren oder stöchiometrischen HCCI-Betrieb
(mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 611, 613 in
einen ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 615 und in
einen ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 gesteuert. 7 und 8 zeigen
die Lage des Spitzenhubs der Einlass- bzw. Auslassventile bei verschiedenen
Motorlastbedingungen. Zusammen stellen sie eine Ausführungsform
eines Motors ohne Einlassöffnungsdrosselung
während
des ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betriebs (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 615 dar.
-
Wenn
von dem stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den
ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
hohem EV- und hohem IV-Hub) 615 gewechselt wird, ist es
erforderlich, die Lage des Spitzenhubs des geöffneten Einlassventils um ungefähr 100 CAD zu
verändern,
um die Luftströmung
durch die Einlassventile ausreichend zu ändern, um den ungedrosselten
stöchiometrischen
Motorbetrieb zu ermöglichen. Wenn
diese Strategie bei einem Übergangs-Motorbetrieb verwendet
wird, ist ein schneller Mechanismus für die Nockenphaseneinstellung/das
Ventiltiming erforderlich. Für
den Wechsel von dem ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit
hohem EV- und niedrigem
IV-Hub) 615 in den ungedrosselten stöchiometrischen SI-Betrieb (mit hohem
EV- und hohem IV-Hub) 617 ist es erforderlich, dass die
Lage des Einlassventil-Spitzenhubs um mehr als 100 CAD zusätzlich zu
einer Erhöhung
des Ventil-Spitzenhubs geändert
wird.
-
Das
Einbeziehen einer Einlassöffnungsdrossel
würde es
erlauben, die Luftströmung
durch das zugeordnete Einlassventil unabhängig von der Ventilbetätigung zu
beschränken,
und es würde
eine Verwendung kleinerer Phasenänderungen
der Einlassnocken erlauben, um äquivalente
Effekte zu bewirken. Daher könnte
eine Hardware für
die Nockenphaseneinstellung mit verringerten Einflussbereich verwendet
werden, wenn sie mit der Einlassöffnungsdrosselung
gekoppelt wird, und ein kleinerer Dynamikbereich und kleinere Anstiegsgeschwindigkeiten der
Hardware für
die Nockenphaseneinstellung könnten
vorteilhafterweise verwendet werden, um eine äquivalente Einlassluftsteuerung
zu bewirken. Mit anderen Worten würde, wie in 7 dargestellt, während eine
doppelte Einlassergänzung
ohne Einlassöffnungsdrosselung
eine Nockenphasenänderung
von im Wesentlichen 100 CAD erfordern würde, um einen Wechsel von dem
stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den ungedrosselten
stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 zu
bewirken, eine solche Anordnung mit doppelten Einlassventil mit
einer Einlassöffnungsdrossel
eine kleinere Phasenänderung
erfordern, um einen akzeptierbaren Wechsel in den ungedrosselten
stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 und
einen akzeptierbaren Betrieb in diesem zu bewirken. Und angesichts
dessen, dass der ungedrosselte stöchiometrische SI-Betrieb (mit hohem
EV- und hohem IV-Hub) 617 zumindest bei den jeweiligen
Wechseln (621, 623) sogar eine größere Kurbelwinkelseparierung
zwischen den EV- und den IV-Spitzenhüben als der stöchiometri sche
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 aufweist,
sind die Vorteile sogar akuter, von dem ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem EV-Hub) 315 in
den ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem IV- und hohem IV-Hub) 617 mit kleineren
Nockenphasenänderungen
zu wechseln, die durch mehrere Einlassöffnungen pro Zylinder ermöglicht werden,
von denen mindestens eine eine zugeordnete Einlassöffnungsdrossel
aufweist, die während
des ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betriebs (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 betätigt wird.
-
Wenn
von dem stöchiometrischen
HCCI-Betrieb (mit niedrigem EV- und niedrigem IV-Hub) 613 in den
ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit
hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 gewechselt wird, wird
die Lage des Spitzenhubs des Auslassventils/der Auslassventile um
ungefähr
40 CAD geändert,
um das innere Restniveau ausreichend zu verringern, um die Flammenausbreitung
zu erleichtern. Zusätzlich
wird diese Phasenänderung
von einer Änderung
des Auslassventilhubs von niedrig nach hoch begleitet. Für den Wechsel
von dem ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem EV- und niedrigem IV-Hub) 615 in
den ungedrosselten stöchiometrischen
SI-Betrieb (mit hohem EV- und hohem IV-Hub) 617 wird die
Lage des Auslassventil-Spitzenhubs um ungefähr 50 CAD verändert.
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Wenn
ein Einlassventil anstelle von zweien wirksam ist (d. h. eine Einlassventildrosselung)
oder wenn ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub oder unterschiedliche Öffnungsdauern
verwendet werden, werden sich die gezeigten Kurven für die Lage
des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile verschieben, die
gezeigten Trends werden aber die gleichen bleiben.
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Wenn
ein unterschiedlicher Ventil-Spitzenhub und/oder eine unterschiedliche Öffnungsdauer sowohl
für den
hohen als auch für
den niedrigen Nockenhub verwendet werden, werden die in 4, 5, 7 und 8 dargestellten
Lagen des Spitzenhubs der Einlass- und Auslassventile schwanken,
die Trends und die verwendeten Wechselstrategien bleiben aber die
gleichen.
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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) Ausführungsformen)
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.
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren zum Wechseln des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit
Funkenzündung
und Direkteinspritzung, der einen zweistufigen Ventiltrieb mit variabler
Phase aufweist, zwischen einem HCCI- und einem SI-Modus umfasst, dass
ein ungedrosselter stöchiometrischer
SI-Betrieb mit einem niedrigen Hub eines Einlassventils geschaffen
wird, der zwischen einem HCCI-Modus mit einem niedrigen Hub eines
Auslassventils und des Einlassventils und einem ungedrosselten SI-Modus
mit einem hohen Hub des Auslassventils und des Einlassventils liegt.