DE112008001529B4

DE112008001529B4 - Verfahren zum Steuern von Wechseln bei einem Motor mit mehrstufigem Ventilhub

Info

Publication number: DE112008001529B4
Application number: DE112008001529.5T
Authority: DE
Inventors: Jun-Mo Kang; Chen-Fang Chang; Jyh-Shin Chen; Man-Feng Chang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: US20080302319A1; WO2008150585A1; CN101772633B; DE112008001529T5; US7689344B2; CN101772633A

Abstract

Verfahren zum Steuern von Motorventilen (18, 20) in einem Verbrennungsmotor (10), die ausgebildet sind, um selektiv mit einem ersten Ventilhubprofil oder mit einem zweiten Ventilhubprofil zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird; ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil ermittelt wird; ein Steuerschema ermittelt wird, um die Motorventile (18, 20) zu steuern, wobei Phaseneinstellungen für das Schließen von Einlassventilen (20) und Auslassventilen (18) berechnet werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen; und das Steuerschema ausgeführt wird und die Motorventile (18, 20) zu dem zweiten Ventilhubprofil übergeleitet werden, wenn das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Luftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil mittels der Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (18) und der Auslassventile (20) innerhalb des Verstellbereichs der jeweiligen Phaseneinstellungen erreichbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere deren Betriebssteuerung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, fallen allgemein in eine von zwei Kategorien, Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit Kompressionszündung. Herkömmliche Motoren mit Funkenzündung, beispielsweise Benzinmotoren, funktionieren typischerweise durch ein Einleiten eines Kraftstoff/Luftgemischs in die Verbrennungszylinder, das dann in dem Kompressionstakt komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Herkömmliche Motoren mit Kompressionszündung, wie beispielsweise Dieselmotoren, funktionieren typischerweise durch ein Einleiten oder Einspritzen von unter Druck stehendem Kraftstoff in einen Verbrennungszylinder in der Nähe eines oberen Totpunkts (TDC) des Kompressionstakts, welcher Kraftstoff bei der Einspritzung zündet. Die Verbrennung umfasst sowohl für herkömmliche Benzinmotoren als auch Dieselmotoren vorgemischte oder Diffusionsflammen, die durch die Fluidmechanik gesteuert werden. Jeder Motortyp weist Vorteile und Nachteile auf. Im Allgemeinen erzeugen Benzinmotoren geringere Emissionen, sind aber weniger effizient, während Dieselmotoren im Allgemeinen effizienter sind, aber mehr Emissionen erzeugen.
Kürzlich wurden andere Typen von Verbrennungsmethodiken für Verbrennungsmotoren eingeführt. Eines dieser Verbrennungskonzepte ist in der Technik als die homogene Kompressionszündung (HCCI) bekannt. Die HCCI-Verbrennung, nachstehend als Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung bezeichnet, umfasst einen verteilten, flammenlosen, Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, der eher durch die Oxidationschemie als durch die Fluidmechanik gesteuert wird. Bei einem typischen Motor, der in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung arbeitet, ist eine Einlassladung zu der Einlassventil-Schließzeit nahezu homogen bezüglich der Zusammensetzung, der Temperatur und des Restniveaus. Da die gesteuerte Selbstzündung ein verteilter kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess ist, arbeitet der Motor mit einem sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemisch (d. h. magerer als am Kraftstoff/Luft-Stöchiometriepunkt) und weist eine relativ niedrige Verbrennungs-Spitzentemperatur auf, wodurch extrem niedrige NO_x-Emissionen gebildet werden. Das Kraftstoff/Luftgemisch für die gesteuerte Selbstzündung ist im Vergleich zu den geschichteten Kraftstoff/Luft-Verbrennungsgemischen, die in Dieselmotoren verwendet werden, relativ homogen, und daher werden die fetten Zonen im Wesentlichen beseitigt, die bei Dieselmotoren Rauch und Partikelemissionen bilden. Aufgrund dieses sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemischs kann ein Motor, der in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung arbeitet, ungedrosselt arbeiten, um eine dieselähnliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen.
Bei mittlerer Motordrehzahl und -last wurde gefunden, dass eine Kombination von Ventilprofil und -timing (beispielsweise Abgas-Wiederverdichtung und Abgas-Rückatmung) und Kraftstoffzufuhr-Strategie effektiv ist, um für ein adäquates Aufheizen der Zylinderladung zu sorgen, so dass die Selbstzündung während des Kompressionstakts zu einer stabilen Verbrennung mit geringem Geräusch führt. Eines der Hauptprobleme für einen effektiven Motorbetrieb in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung war es, den Verbrennungsprozess korrekt zu steuern, so dass eine robuste und stabile Verbrennung, die zu geringen Emissionen, einer optimalen Wärmefreigaberate und geringem Geräusch führt, über einen Bereich von Betriebsbedingungen erreicht wird. Die Vorteile der Selbstzündungsverbrennung sind seit vielen Jahren bekannt. Die hauptsächliche Barriere für eine Produktimplementierung war jedoch die Unfähigkeit, den Selbstzündungs-Verbrennungsprozess zu steuern.
Ein Motor mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, der fähig ist, in einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung zu arbeiten, wechselt zwischen dem Betrieb in einem selbstgezündeten Verbrennungsmodus bei Bedingungen mit Teillast und niedrigerer Motordrehzahl und dem Betrieb in einem herkömmlichen funkengezündeten Verbrennungsmodus bei Bedingungen mit hoher Last und hoher Drehzahl. Es besteht eine Notwendigkeit für einen glatten Wechsel zwischen den zwei Verbrennungsmodi während des laufenden Motorbetriebs, um während der Wechsel ein kontinuierliches Motor-Ausgangsdrehmoment aufrecht zu erhalten und jegliche Motor-Fehlzündungen oder Teilverbrennungen zu verhindern. Diese zwei Verbrennungsmodi erfordern einen unterschiedlichen Motorbetrieb, um eine robuste Verbrennung aufrecht zu erhalten. Ein Aspekt des Motorbetriebs umfasst die Steuerung des Drosselventils. Wenn der Motor in dem selbstgezündeten Verbrennungsmodus betrieben wird, umfasst die Motorsteuerung einen Betrieb mit magerem Luft/Kraftstoffverhältnis bei weit offener Drossel, um Motor-Pumpverluste zu minimieren. Im Gegensatz dazu umfasst die Motorsteuerung, wenn der Motor in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung betrieben wird, einen Betrieb mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoffverhältnis, wobei das Drosselventil über einen Bereich von Positionen von 0% bis 100% der weit offenen Position gesteuert wird, um die Einlassluftströmung zum Erreichen der Stöchiometrie zu steuern.
Bei dem Motorbetrieb wird die Motor-Luftströmung gesteuert, indem die Position des Drosselventils und das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen selektiv eingestellt werden. Das Einstellen des Öffnens und des nachfolgenden Schließens der Einlass- und Auslassventile erfolgt hauptsächlich anhand: einer Phaseneinstellung des Öffnens (und des nachfolgenden Schließens) des Ventils bezogen auf die Kolben- und Nockenwellenposition; und der Größe des Hubs der Ventilöffnung. Bei derart ausgestatteten Motorsystemen wird das Öffnen und Schliefen der Einlassventile und der Auslassventile unter Verwendung eines Systems für eine variable Ventilbetätigung (VVA-Systems) ausgeführt, das eine Nocken-Phaseneinstellung und einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub umfasst, z. B. mehrstufige Nockennasen, die für zwei oder mehr Ventilhubprofile sorgen. Im Gegensatz zu der kontinuierlich variablen Drosselposition ist die Änderung in dem Ventilprofil des mehrstufigen Ventilhubmechanismus eine diskrete Änderung und nicht kontinuierlich. Wenn ein Wechsel zwischen Stufen des auswählbaren mehrstufigen Ventilhubs nicht effektiv gesteuert wird, können unerwünschte Störungen der Motorluftströmung auftreten, die zu einer schlechten Verbrennung führen, einschließlich einer Fehlzündung oder von Teilverbrennungen.
Daher besteht eine Notwendigkeit, die Motorluftströmung während eines Wechsels zwischen Stufen des auswählbaren mehrstufigen Ventilhubs zu steuern, um eine robuste und stabile Verbrennung, niedrige Emissionen, eine optimale Freigaberate der Verbrennungswärme und ein niedriges Motorgeräusch zu erreichen.
Aus der DE 10 2004 038 338 B3 ist ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem eine gewünschte Motorluftströmung in Abhängigkeit von einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt und durch Variieren der Phaseneinstellung zwischen einer Nockenwelle eines Einlassventils und Kurbelwelle eingestellt wird, wenn die gewünschte Motorluftströmung dadurch unter Beibehaltung einer aktuellen Druckdifferenz stromaufwärts und stromabwärts der Drosselklappe einstellbar ist, und bei dem die gewünschte Motorluftströmung ansonsten durch Variieren der Drosselklappenöffnung eingestellt wird. Zusätzlich kann der Hub des Einlassventils zwischen einer niedrigen und einer hohen Position verstellt werden, um dadurch den Variationsbereich für die Phaseneinstellung des Einlassventils zu erweitern.
Die EP 1 331 382 B1 beschreibt ein ähnliches Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, bei dem jedoch die Phaseneinstellung eines Einlassventils so lange variiert wird, bis für zwei verschiedene Ventilhubprofile dasselbe Zylindereinlassvolumen vorliegt, bevor eine Umschaltung zwischen den Ventilhubprofilen erfolgt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren mm Steuern eines Verbrennungsmotors zu schaffen, bei dem eine zuverlässige und robuste Umschaltung zwischen Ventilhubprofilen bzw. zwischen Verbrennungsmodi des Motors ohne sprunghafte Veränderung des Motorausgangsdrehmoments sichergestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 12, 17 oder 23. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um Motorventile eines Verbrennungsmotors zu steuern, die ausgebildet sind, um selektiv bei einer ersten Öffnungsposition oder einer zweiten Öffnungsposition zu arbeiten. Eine beispielhafte Anwendung umfasst, dass ein Motorbetrieb während eines Wechsels von einem ersten in einen zweiten Verbrennungsmodus gesteuert wird. Das Verfahren umfasst, dass eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird. Ein Zylindereinlassvolumen wird für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Öffnungsposition ermittelt. Ein Steuerschema wird ermittelt, um die Motorventile zu steuern, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Öffnungsposition zu erreichen. Das Steuerschema wird ausgeführt, und das Motorventil wird in die zweite Öffnungsposition übergeleitet, wenn das Zylindereinlassvolumen für den Betrieb bei der zweiten Öffnungsposition in einem Autoritätsbereich der Motorventile liegt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die Ausführungsformen im Detail beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, dargestellt werden, und wobei:
1 eine schematische Zeichnung eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2, 3 und 4 Datengraphiken gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
5, 6A und 6B schematische Blockdiagramme eines Steuerschemas gemäß der vorliegenden Erfindung sind; und
7A, 7B und 8 Datengraphiken gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die Darstellungen nur zu dem Zweck dienen, die Erfindung zu veranschaulichen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellt 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotors 10 und eines begleitenden Steuermoduls 5 dar, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Motor selektiv in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung und in einem Modus mit herkömmlicher Funkenzündung betriebsfähig, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der hin und her gehende Kolben 14 aufweist, die in Zylindern verschiebbar sind, die Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen definieren. Jeder der Kolben ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 (”CS”) verbunden, durch die dessen linear hin und her gehende Bewegung in eine Drehbewegung übertragen wird. Es gibt ein Lufteinlasssystem, das Einlassluft an einen Einlasskrümmer liefert, der die Luft in einen Einlasskanal 29 zu jeder Verbrennungskammer 14 leitet und verteilt. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftströmungs-Kanalsystem und Einrichtungen, um die Luftströmung zu überwachen und zu steuern. Die Einrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassenströmungssensor 32, um die Luftmassenströmung (”MAF”) und die Einlasslufttemperatur (”TiN”) zu überwachen. Es gibt ein Drosselventil 34, vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung, welche die Luftströmung zu dem Motor in Ansprechen auf ein Steuersignal (”ETC”) von dem Steuermodul steuert. Es gibt einen Drucksensor 36 in dem Krümmer, der ausgebildet ist, um den Krümmerabsolutdruck (”MAP”) und den barometrischen Druck (”BARO”) zu überwachen. Es gibt einen äußeren Strömungsdurchgang, um Abgase aus dem Motorauslass zu dem Einlasskrümmer zurückzuführen, der ein Strömungssteuerventil aufweist, das als ein Abgasrückführungsventil (”AGR-Ventil”) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, die Massenströmung des Abgases zu dem Motorlufteinlass zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils gesteuert wird.
Der Motor ist mit Motorventilen 20, 18 ausgestattet, die selektiv betätigbar sind, um die Luftströmung in jede der Verbrennungskammern 16 des Motors und aus diesen zu steuern. Die Luftströmung aus dem Einlasskanal 29 in jede der Verbrennungskammern 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 gesteuert. Die Strömung der verbrannten Gase aus jeder der Verbrennungskammern zu einem Abgaskrümmer über Abgaskanäle 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 gesteuert. Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile wird vorzugsweise mit einer doppelten Nockenwelle gesteuert (wie dargestellt), deren Drehungen mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verknüpft und indiziert sind. Der Motor ist mit Einrichtungen ausgestattet, um den Ventilhub der Einlassventile und der Auslassventile zu steuern, was als variable Ventilhubsteuerung (”VLC”) bezeichnet wird. Das variable Ventilhubsystem umfasst eine Einrichtung für einen steuerbaren zweistufigen Ventilhub, die dazu dient, die Größe des Ventilhubs oder der Ventilöffnung auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern, z. B. eine Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub (ungefähr 4–6 mm) für einen Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last sowie eine Ventilöffnungsposition mit hohem Hub (ungefähr 8–10 mm) für einen Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Der Motor ist ferner mit Einrichtungen zum Steuern einer Phaseneinstellung (d. h. des relativen Timings) des Öffnens und Schließens der Einlassventile und der Auslassventile ausgestattet, was als variable Nocken-Phaseneinstellung (”VCP”) bezeichnet wird, um die Phaseneinstellung über diejenige hinaus zu steuern, die durch den zweistufigen VLC-Hub bewirkt wird. Es gibt ein VCP/VLC-System 22 für den Motoreinlass und ein VCP/VLC-System 24 für den Motorauslass. Die VCP/VLC-Systeme werden von dem Steuermodul gesteuert. Auf 3 Bezug nehmend, sind typische Einlass- und Auslass-Ventilöffnungsprofile für den Betrieb mit niedrigem Hub und den Betrieb mit hohem Hub dargestellt, einschließlich eines Identifizierens einer Dauer einer negativen Ventilüberlappung (NVO-Dauer). Wenn der Motor in dem Modus mit gesteuerter Selbstzündung mit einer Abgas-Wiederverdichtungs-Ventilstrategie arbeitet, wird typischerweise der Betrieb mit niedrigem Hub verwendet, und wenn der Motor in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung arbeitet, wird typischerweise der Betrieb mit hohem Hub verwendet. Wie Fachleuten bekannt ist, weisen VCP/VLC-Systeme einen begrenzten Autoritätsbereich auf, über den das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile steuerbar ist. Die Größe des Ventilhubs ist oben beschrieben. Ein Umschalten zwischen dem Betrieb bei niedrigem Hub und dem Betrieb bei hohem Hub kann die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils verschieben, wie in 3 dargestellt ist. Variable Nocken-Phaseneinstellungssysteme dienen dazu, die Ventilöffnungszeit relativ zu der Kurbelwellen- und Kolbenposition zu verschieben, was als Phaseneinstellung bezeichnet wird. Das typische VCP-System weist vorzugsweise einen Autoritätsbereich auf die Phaseneinstellung von 60°–90° der Kurbeldrehung auf, wodurch ermöglicht wird, dass das Steuersystem das Öffnen und Schlieren der Motorventile relativ zu der Kolbenposition nach früh oder nach spät verstellt. Der Autoritätsbereich auf die Phaseneinstellung wird durch die Hardware der VCP und das Steuersystem, das die VCP betätigt, definiert und begrenzt. Das VCP/VLC-System wird unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerkraft betätigt, die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird.
Der Motor weist ein Kraftstoffeinspritzsystem auf, das mehrere Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28 umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Signal (”INJ_PW”) von dem Steuermodul in eine der Verbrennungskammern direkt einzuspritzen. Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem (nicht gezeigt) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
Der Motor weist ein Funkenzündungssystem auf, durch das Funkenenergie an eine Zündkerze 26 geliefert wird, um Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern in Ansprechen auf ein Steuersignal (”IGN”) von dem Steuermodul zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen. Die Zündkerze 26 verbessert die Zündzeitpunkt-Steuerung des Motors unter bestimmten Bedingungen (beispielsweise während eines Kaltstarts und in der Nähe einer Niedriglast-Betriebsgrenze).
Der Motor ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs ausgestattet, einschließlich eines Kurbelwellen-Drehzahlsensors 42 mit einer Ausgabe RPM, eines Sensors 30 mit einer Ausgabe VERBRENNUNG, der ausgebildet ist, um die Verbrennung zu überwachen, und eines Sensors 40 mit einer Ausgabe EXH, der ausgebildet ist, um Abgase zu überwachen, typischerweise ein Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit weitem Messbereich. Der Verbrennungssensor umfasst eine Sensoreinrichtung, die dazu dient, einen Verbrennungsparameter zu überwachen, und er ist als ein Zylinderdrucksensor dargestellt, um den Verbrennungsdruck in dem Zylinder zu überwachen. Es versteht sich, dass andere Detektionssysteme, die verwendet werden, um den Zylinderdruck oder einen anderen Verbrennungsparameter zu überwachen, die in eine Verbrennungs-Phaseneinstellung übersetzt werden können, in dem Umfang der Erfindung eingeschlossen sind, z. B. Zündungssysteme mit Ionendetektion.
Der Motor ist ausgestaltet, um ungedrosselt mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffmischungen über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten mit Selbstzündungsverbrennung (”HCCI-Verbrennung”) zu arbeiten. Der Motor arbeitet in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung bei gesteuertem Drosselbetrieb mit herkömmlichen oder modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen, die dem Betrieb in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung und dem Erreichen der maximalen Motorleistung, um eine Drehmomentanforderung eines Betreibers zu erfüllen, nicht förderlich sind. Die Kraftstoffzufuhr umfasst vorzugsweise eine Kraftstoff-Direkteinspritzung in jede der Verbrennungskammern. Weithin verfügbare Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen mit diesem sind bevorzugte Kraftstoffe; es können jedoch auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase und andere, bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Das Steuermodul ist vorzugsweise ein Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen nicht flüchtigen Speicher einschließlich eines Festwertspeichers (ROM) und eines elektrisch programmierbaren Festwertspeichers (EPROM) umfassen, einen Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen. Die Algorithmen werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal in jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den zuvor erwähnten Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb der Aktuatoren unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden typischerweise während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Steuern des Motorbetriebs zu steuern, einschließlich der Drosselposition, des Zündfunkenzeitpunkts, der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, des Hubs, des Timings und der Phaseneinstellung des Einlass- und/oder Auslassventils und der AGR-Ventilposition, um die Strömung zurückgeführter Abgase zu steuern. Der Ventilhub, das Ventiltiming und die Ventil-Phaseneinstellung umfassen den zweistufigen Ventilhub und die negative Ventilüberlappung (NVO). Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingabesignale von einem Betreiber (beispielsweise eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um eine Drehmomentanforderung des Betreibers (T_{O_IEQ}) zu ermitteln, und von Sensoren zu empfangen, welche die Motordrehzahl (RPM) und die Ansauglufttemperatur (T_IN) sowie die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben. Das Steuermodul 5 arbeitet, um momentane Steuereinstellungen für den Zündfunkenzeitpunkt (falls erforderlich), für die AGR-Ventilposition, für Einstellpunkte des Timings und des Wechsels des zweistufigen Hubs des Einlass- und Auslassventils sowie für den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung aus Nachschlagetabellen in dem Speicher zu ermitteln, und es berechnet Anteile des verbrannten Gases in dem Einlass- und dem Auslasssystem.
Nun auf 2 Bezug nehmend, ist der beispielhafte Motor selektiv in einem der Verbrennungsmodi betriebsfähig, die auf Zuständen von Motorparametern basieren, die bei dieser Ausführungsform die Drehzahl (RPM) und die Last (LAST) umfassen, die von Motor-Betriebsparametern wie beispielsweise einer Motor-Kraftstoffströmung (INJ-PW in Milligramm) oder des Krümmerdrucks (MAP) ableitbar sind. Die Motor-Verbrennungsmodi umfassen einen Modus mit sprühungsgeführter Funkenzündung (SI-SG-Modus), einen Modus mit Selbstzündung bei einzelner Einspritzung (HCCI-SI-Modus) und einen Modus mit Selbstzündung bei doppelter Einspritzung (HCCI-DI-Modus) sowie einen homogenen Funkenzündungsmodus (SI-H-Modus). Ein bevorzugter Drehzahl- und Last-Betriebsbereich für jeden der Verbrennungsmodi basiert auf Parametern für einen optimalen Motorbetrieb, einschließlich der Verbrennungsstabilität, des Kraftstoffverbrauchs, der Emissionen, der Motordrehmomentabgabe und anderer. Grenzen, welche die bevorzugten Drehzahl- und Lastbetriebsbereiche definieren, um die Verbrennungsmodi abzubilden, werden typischerweise während der Motorkalibrierung und -entwicklung in der Vorproduktion ermittelt und in dem Motorsteuermodul ausgeführt.
Nun auf 4 Bezug nehmend, ist das Zylindervolumen über einem Bereich von VCP-Winkeln graphisch dargestellt. Die x-Achse stellt den Einlass-Nockenwinkel, der über den Autoritätsbereich der Einlass-VCP von 90 Grad bis 0 Grad variiert, und den Auslass-Nockenwinkel dar, der über den Autoritätsbereich der Auslass-VCP von 0 Grad bis 90 Grad variiert. Linie A stellt das Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils (IVC) über dem Autoritätsbereich der Einlass-VCP dar, wenn die VLC den Einlassventilhub auf die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub steuert. Die durch diese Linie dargestellten Daten geben an, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils eine minimale Auswirkung auf das Zylindervolumen bei dem IVC (V_IVC) über den Autoritätsbereich der Einlass-VCP aufweist, wenn sich die VLC in der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub befindet. Linie C stellt das Zylindervolumen bei dem Schließen des Auslassventils (V_EVC) über dem Autoritätsbereich der Auslass-VCP dar, wenn die VLC den Auslassventilhub auf die Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub steuert. Die durch diese Linie dargestellten Daten geben an, dass der Schließzeitpunkt des Auslassventils das Zylindereinlassvolumen für die Motorluftströmung (V_IVC – V_EVC) über den Autoritätsbereich der Auslass-VCP direkt und überwiegend beeinflusst, wenn sich die VLC in der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub befindet. Folglich wird das Zylindereinlassvolumen für die Motorluftströmung bei der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub überwiegend durch den Schließzeitpunkt des Auslassventils gesteuert, und der Schließzeitpunkt des Einlassventils weist eine zusätzliche, minimale Auswirkung auf.
Linie B stellt das Zylindervolumen bei dem IVC (V_IVC) über dem Autoritätsbereich der Einlass-VCP dar, wenn die VLC den Einlassventilhub auf die Ventilöffnungsposition mit hohem Hub steuert. Linie D stellt das Zylindervolumen bei dem EVC (V_EVC) über dem Autoritätsbereich der Auslass-VCP dar, wenn die VLC den Auslassventilhub auf die Ventilöffnungsposition mit hohem Hub steuert. Die durch diese Linie dargestellten Daten geben an, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils das Zylindereinlassvolumen für die Motorluftströmung (V_IVC – V_EVC) über den Autoritätsbereich der Einlass-VCP direkt und überwiegend beeinflusst, wenn sich die VLC in der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub befindet, und der Schließzeitpunkt des Auslassventils weist eine minimale Auswirkung auf das Zylindereinlassvolumen für die Motorluftströmung über den Autoritätsbereich der Auslass-VCP auf, wenn sich die VLC in der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub befindet. Folglich wird das Zylindereinlassvolumen für die Motorluftströmung bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub überwiegend durch den Schließzeitpunkt des Einlassventils gesteuert, und der Schließzeitpunkt des Auslassventils weist eine zusätzliche, minimale Auswirkung auf. Diese Fähigkeit, das Zylindervolumen zu steuern, entweder V_IVC oder V_EVC, indem Einlass- und Auslassnocken-Phaseneinstellungswinkel gesteuert werden, wird nun bezogen auf das Steuerschema verwendet, das nachstehend beschrieben wird.
Nun auf 5 sowie 6A und 6B Bezug nehmend, wird nun ein beispielhaftes Steuerschema gemäß der Erfindung beschrieben. Das Steuerschema wird als ein oder mehrere Algorithmen in dem Steuermodul ausgeführt und umfasst, dass die Motorventile des Verbrennungsmotors gesteuert werden, der ausgebildet ist, um selektiv bei einer ersten Öffnungsposition oder einer zweiten Öffnungsposition zu arbeiten. Das Verfahren ermittelt eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers. Ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung (ΔV = V_IVC – V_EVC) wird während des Betriebs bei der ersten Öffnungsposition ermittelt. Ein Steuerschema wird ermittelt, um die Motorventile zu steuern, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Öffnungsposition zu erreichen, was unter Bezugnahme auf die nachstehenden Gleichungen sowie 5, 6A und 6B beschrieben ist. Das Steuerschema wird ausgeführt, und der Motor wird in die zweite Öffnungsposition übergeleitet, wenn das Zylindereinlassvolumen für den Betrieb bei der zweiten Öffnungsposition in dem Autoritätsbereich der Motorventile liegt. Dies umfasst, dass die Systeme für die variable Hubsteuerung (VLC-Systeme) gesteuert werden, um zwischen dem Motorbetrieb bei der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub und bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub zu wechseln. Solch eine Änderung kann im Zusammenhang mit Wechseln zwischen dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung und dem SI-Verbrennungsmodus befohlen werden, die oben beschrieben sind, obwohl der Betrieb des Steuerschemas nicht darauf beschränkt ist.
Das Öffnen und das Schließen der Einlass- und Auslassventile 20, 18, einschließlich des zweistufigen Ventilhubs (VLC) und der variablen Nocken-Phaseneinstellung (VCP), werden unter Verwendung der Systeme 22, 24 für die variable Ventilbetätigung während der Übergänge basierend auf Differenzen zwischen den gegenwärtigen Zuständen der Luftmassenströmung, des Einlasskrümmerdrucks sowie des Zylindervolumens und der Luftmassenströmung, dem Einlasskrümmerdruck sowie dem Zylindervolumen, um den Motor in dem zweiten Verbrennungsmodus zu betreiben und die Drehmomentanforderung des Betreibers zu erfüllen, gesteuert.
Das Steuerschema ermittelt gewünschte Zustände für die Luftmassenströmung, den Einlasskrümmerdruck und das Zylindervolumen, um den Motor in dem zweiten oder Ziel-Verbrennungsmodus zu betreiben. Die gewünschten Zustände werden basierend auf einer Drehmomentanforderung des Betreibers ermittelt, typischerweise in der Form von Betreibereingaben an ein Gas- und Bremspedal (nicht gezeigt). Gegenwärtige Zustände der Luftmassenströmung und des Einlasskrümmerdrucks werden unter Verwendung der zuvor erwähnten MAF- und MAP-Sensoren 32, 36 ermittelt. Die Öffnungsposition des steuerbaren Drosselventils 34 wird gesteuert.
Im Betrieb basiert der Befehl zum Wechseln von einem der Verbrennungsmodi in den zweiten Verbrennungsmodus typischerweise auf einer Änderung des Drehzahl/Lastbetriebspunkts des Motors, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Das Symbol ζ repräsentiert den Verbrennungsmodus, der dem System zum Wechseln befohlen wird, entweder 0 für den selbstgezündeten Verbrennungsmodus oder 1 für den funkengezündeten Verbrennungsmodus. Ein Befehl zum Wechseln zwischen dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung und dem funkengezündeten Verbrennungsmodus verursacht einen Wechsel des VLC-Systems zwischen einer Ventilöffnungsposition mit hohem Hub und einer Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub.
Die Massenströmungsrate ṁ_air von Frischluft, die bei dem Schliefen des Einlassventils in dem Zylinder eingeschlossen wird, wird unter Verwendung der Energiebilanz und des Gesetzes des idealen Gases modelliert, wie nachstehend in Gleichung 1 beschrieben:
wobei: u₁ = Δp = p_e – p_i; ΔV = V_IVC – V_EVC und wobei p_i und p_e die Drücke in dem Einlass- bzw. dem Auslasskrümmer sind, V_IVC und V_EVC die Zylindervolumina bei dem Schließen des Einlassventils (IVC) bzw. bei dem Schließen des Auslassventils (EVC) sind, T_i die Lufttemperatur des Einlasskrümmers ist, d. h. T_IN, τ die verstrichene Zeit für einen Motorzyklus ist und R die Gaskonstante ist. Der Ausdruck V umfasst das Zylindereinlassvolumen.
Basierend auf der Gleichung wird ein Steueralgorithmus in dem Steuermodul 5 ausgeführt, um das Zylindereinlassvolumen ΔV zu ermitteln, das die gewünschte Massenströmungsrate der Frischluft erreicht, die in dem Zylinder bei dem Schließen des Einlassventils eingeschlossen ist. Das Zylindereinlassvolumen ΔV, das der Menge der eingeleiteten Frischluftladung entspricht, ist die Differenz in dem Zylindervolumen (Verbrennungskammervolumen) zwischen dem Schließen des Einlassventils (IVC) und dem Schließen des Auslassventils (EVC). Die Zylindervolumina V_IVC und V_EVC und das Zylindereinlassvolumen ΔV werden für eine beliebige Kombination des IVC und des EVC unter Verwendung bekannter Zylindergeometrien und Schubkurbel-Gleichungen berechnet.
Wieder auf 5 Bezug nehmend, wird das Zylindereinlassvolumen ΔV in jeden der Blöcke 110 und 112 eingegeben. Bei Block 110 wird ein Einlassventilwinkel berechnet, der das Zylindereinlassvolumen ΔV erreicht, wobei sich die VLC in dem Öffnungszustand mit hohem Hub befindet. Der berechnete Einlassventilwinkel wird an einen Komparator 114 ausgegeben, der ermittelt, ob der berechnete Einlassventilwinkel die Steuerautorität der Einlass-VCP 22 überschreitet. Eine Ausgabe des Komparators 114 ist entweder ”ja” oder ”nein”, was angibt, ob die Steuerautorität der VCP überschritten wurde oder nicht überschritten wurde. Der berechnete Einlassventilwinkel ist auch eine Eingabe für einen Begrenzer 118, dessen Ausgabe eine Eingabe für eine Schalteinrichtung 126 ist. Die Ausgabe der Schalteinrichtung 126 umfasst das Befehlssignal für den IVC-Phaseneinstellungswinkel an die Einlass-VCP 22. Auf ähnliche Weise wird bei Block 112 ein Auslassventilwinkel berechnet, der das Zylindereinlassvolumen ΔV erreicht, wobei sich die VLC in einem Betriebszustand mit niedrigem Hub befindet. Der berechnete Auslassventilwinkel wird an einen Komparator 116 ausgegeben, der ermittelt, ob der berechnete Auslassventilwinkel die Steuerautorität der Auslass-VCP 24 überschreitet. Eine Ausgabe des Komparators 116 ist entweder ”ja” oder ”nein”. Der berechnete Auslassventilwinkel ist auch eine Eingabe für einen Begrenzer 120, dessen Ausgabe das Befehlssignal für den EVC-Phaseneinstellungswinkel an die Auslass-VCP 24 umfasst.
Die Ausgaben der Blöcke 114 und 116 sowie der Verbrennungsmodus umfassen die Eingaben für eine Nockenprofil-Auswahllogik, die als Element 130 dargestellt ist und unter Bezugnahme auf 6A ausführlich beschrieben wird. Die Nockenprofil-Auswahllogik befiehlt den Betriebswechsel von der Öffnung mit niedrigem Hub zu der Öffnung mit hohem Hub nur dann, wenn der SI-Verbrennungsmodus befohlen wurde (ζ = 1) und der Einlassventilwinkel innerhalb der Steuerautorität der Einlass-VCP liegt. Auf ähnliche Weise befiehlt die Nockenprofil-Auswahllogik einen Betriebswechsel von dem Betrieb mit hohem Hub zu dem Betrieb mit niedrigem Hub nur dann, wenn der Verbrennungmodus mit gesteuerter Selbstzündung befohlen wurde (ζ = 0) und der Auslassventilwinkel innerhalb der Steuerautorität der Auslass-VCP liegt.
Die Ausgabe der Nockenprofil-Auswahllogik 130 ist auch eine Eingabe für eine Einlassventil-Schaltlogik für die negative Ventilüberlappung (NVO) bei 140. Dieser Betrieb bei 140 wird unter Bezugnahme auf 6B dargestellt, wobei die NVO nur dann befohlen wird, wenn der Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung befohlen wurde (ζ = 0) und der Betrieb mit niedrigem Hub erreicht wurde.
In dem NVO-Betrieb wird ein Einlassventilwinkel, der bezüglich des oberen Totpunkts (TDC) des Kolbens zu dem Auslassventilwinkel symmetrisch ist, basierend auf der begrenzten befohlenen Auslassventil-Winkelausgabe berechnet. Dieser Einlasswinkel wird in die Schalteinrichtung 126 eingegeben.
Die Schalteinrichtung 126 umfasst eine algorithmische Einrichtung, die Eingaben für den Einlassventil-Schließwinkel aufweist; eine Eingabe umfasst den IVC-Winkel von 118, und die andere Eingabe umfasst den IVC-Winkel, der in dem HCCI-Betrieb mit niedrigem Hub vorzugsweise symmetrisch zu dem Auslassventil ist. Die Schalteinrichtung wird basierend auf der Entscheidung von der Einlassventil-Schaltlogik 140 gesteuert, einen linearen (d. h. nicht diskreten) Wechsel in dem IVC-Winkel zwischen den zwei zuvor beschriebenen Eingaben vorzusehen, um eine Steuerausgabe zu liefern, die den befohlenen Winkel für die Einlass-VCP 22 umfasst.
Das Steuerschema verwendet eine Kombination der Ventilhubposition und der Nocken-Phaseneinstellungsposition, um die Motorluftströmung zu variieren, die proportional zu dem Zylindereinlassvolumen ist. Entsprechend dem jeweiligen Verbrennungsmodus wird dem zweistufigen Ventilhubsystem befohlen, von einer ersten Ventilöffnungsposition in eine zweite Ventilöffnungsposition umzuschalten. Während des Wechsels wird ein Zylindereinlassvolumen ermittelt, das der Masse der gewünschten Frischluftladung entspricht. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, wird das Zylindereinlassvolumen und damit die Frischluftladung überwiegend durch die Auslass-VCP gesteuert, wenn sich das zweistufige Ventilhubsystem in der Position mit niedrigem Hub befindet, wobei die Einlass-VCP einen minimalen oder zusätzlichen Einfluss aufweist. Bei der Position mit hohem Hub werden das Zylindereinlassvolumen und damit die Frischluftladung überwiegend durch die Einlass-VCP gesteuert, wobei die Auslass-VCP einen minimalen oder zusätzlichen Einfluss aufweist.
Folglich wird die Luftströmung durch die Position der Einlass-VCP gesteuert, um das ermittelte Zylindervolumen zu erreichen, das mit dem zweistufigen Ventilhubsystem in der Position mit hohem Ventilhub berechnet wird. Die Auslass-VCP-Position, um das ermittelte Zylindervolumen zu erreichen, wird mit dem zweistufigen Ventilhubsystem in der Position mit niedrigem Ventilhub berechnet. Wenn ein Wechsel zwischen zwei Verbrennungsmodi befohlen wird, wird die Nockenwelle für das vorherrschende Ventil (Einlass oder Auslass, was von der gegenwärtigen Ventilhubposition abhängt) in die gewünschte Nocken-Phasenstellungsposition gesteuert, um das ermittelte Zylindervolumen, wie oben beschrieben, und damit die Luftströmung zu erreichen, wenn die VCP-Position innerhalb deren Steuerautorität liegt. Bevor die Nocken-Phaseneinstellungsposition über dessen Steuerautorität hinausgeht, wird das zweistufige Ventilhubsystem vorzugsweise in die zweite Ventilhubposition umgeschaltet, und der andere Nocken nimmt die vorherrschende Rolle zum Steuern der Luftströmung an.
Nun auf 7A Bezug nehmend, stellen beispielhafte Ergebnisse das Wechseln von dem Betrieb mit hohem Hub in den Betrieb mit niedrigem Hub graphisch dar. Die obere Graphik zeigt das Zylindereinlassvolumen ΔV in Litern (l), das mit der Zeit abnimmt und wie oben beschrieben berechnet wurde, und den gewünschten Wert. Die untere Graphik zeigt den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile relativ zu dem Kurbelwinkel bei dem TDC für das Öffnen des Einlassventils (IVO) und das Schließen des Einlassventil (IVC) sowie das Öffnen des Auslassventils (EVO) und das Schließen des Auslassventils (EVC). Eine vertikale Linie stellt den Umschaltpunkt von dem Betrieb bei der Ventilöffnungsposition mit hohem Hub in den Betrieb bei der Ventilöffnungsposition mit niedrigem Hub dar, der unter Verwendung eines Algorithmus basierend auf der oben beschriebenen Erfindung berechnet wird, der einen glatten Wechsel in dem Zylindereinlassvolumen ΔV erreicht. Nun auf 7B Bezug nehmend, stellen beispielhafte Ergebnisse den Wechsel von dem Betrieb mit niedrigem Hub in den Betrieb mit hohem Hub, einschließlich des Ventilzeitpunkts, relativ zu dem Kurbelwinkel bei dem TDC für das Öffnen des Einlassventils (IVO) und das Schließen des Einlassventils (IVC) sowie das Öffnen des Auslassventils (EVO) und das Schließen des Auslassventils (EVC) graphisch dar. Die dargestellten Ergebnisse umfassen Ergebnisse, die unter Verwendung eines Algorithmus simuliert wurden, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wurde.
Nun auf 8 Bezug nehmend, werden Ergebnisse für einen Motorbetrieb unter Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Motor arbeitet bei einer nominalen Drehzahl von 2000 U/min, und ihm wurde befohlen, von dem SI-Verbrennungsmodus in den Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung zu wechseln. Die Ergebnisse zeigen die ETC-Position (in Prozent), den Nockenwinkel und -wechsel von dem Betrieb mit hohem Hub in den Betrieb mit niedrigem Hub, das Zylindereinlassvolumen (ΔV), den MAP, das befohlene und tatsächliche Luft/Kraftstoffverhältnis und die Motorausgabe (IMEP) während des Wechsels. Die Ergebnisse geben eine minimierte Störung der Motorlast und des Luft/Kraftstoffverhältnisses aufgrund der stufigen Änderung des Ventilhubs während der Wechsel des Verbrennungsmodus an.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform umfasst einen Motor mit einem steuerbaren zweistufigen Ventilhubsystem und einem variablen Nocken-Phaseneinstellungssystem, das dazu dient, das Schließen von Einlass- und Auslassventilen zu steuern. In Abhängigkeit von der Kombination der Ventilhubposition und der Nocken-Phaseneinstellungspositionen variiert die Menge der Motorluftströmung, und sie ist proportional zu einem Zylindervolumen, das die Differenz zwischen den Zylindervolumina bei dem Schließen des Einlassventils und bei dem Schließen des Auslassventils ist. Das Verfahren umfasst, dass der Motorbetrieb und eine Drehmomentanforderung eines Betreibers überwacht werden. Es wird ein Wechsel zwischen dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung und dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung basierend auf dem Motorbetrieb befohlen. Entsprechend dem jeweiligen Verbrennungsmodus wird dem zweistufigen Ventilhubsystem ebenso befohlen, von einer ersten Ventilhubposition in eine zweite Ventilhubposition zu wechseln. Während des Moduswechsels wird der gewünschte Wert des Zylindervolumens ermittelt, das der Menge der gewünschten Frischluftladung entspricht. Es wird gezeigt, dass das Zylindervolumen (und damit die eingeleitete Frischluft) weniger empfindlich gegenüber der Einlassnocken-Phaseneinstellungsposition ist, wenn sich das zweistufige Ventilhubsystem in der Position mit niedrigem Hub befindet. Das Zylindervolumen ist weniger empfindlich gegenüber der Auslassnocken-Phaseneinstellungsposition, wenn sich das zweistufige Ventilhubsystem in der Position mit hohem Hub befindet. Folglich wird die Luftströmung überwiegend durch die Einlassnocken-Phaseneinstellung, wenn sich das zweistufige Ventilhubsystem in der Position mit niedrigem Hub befindet, und durch die Einlassnocken-Phaseneinstellungsposition gesteuert, wenn es sich in der Position mit hohem Hub befindet. Um die Luftströmung zu steuern, wird daher die Einlassnocken-Phaseneinstellungsposition, die notwendig ist, um das ermittelte Zylindervolumen zu erreichen, mit dem zweistufigen Ventilhubsystem in der Position mit hohem Hub berechnet, während die Auslassnocken-Phaseneinstellungsposition, die notwendig ist, um das ermittelte Zylindervolumen zu erreichen, mit dem zweistufigen Ventilhubsystem in der Position mit niedrigen Hub berechnet wird. Wenn ein Wechsel zwischen den zwei Verbrennungsmodi befohlen wird, wird der vorherrschende Nocken (Einlass oder Auslass, was von der gegenwärtigen Ventilhubposition abhängt) in die gewünschten Nocken-Phaseneinstellungsposition gesteuert, die das ermittelte Zylindervolumen (und damit die Luftströmung) erreicht. Wenn die Nocken-Phaseneinstellungsposition innerhalb dessen maximaler Autorität und genügend nah an der gewünschten Nocken-Phaseneinstellungsposition liegt, wird das zweistufige Ventilhubsystem in die zweite Ventilhubposition umgeschaltet, und der andere Nocken nimmt die dominante Rolle bei dem Steuern der Luftströmung.
Alternative Ausführungsformen, auf welche die Erfindung anwendbar ist, umfassen andere Verbrennungsmotoren mit einer steuerbaren mehrstufigen Ventilöffnungssteuerung, einschließlich derjenigen, die mehrstufige Ventilöffnungen und/oder eine variable Nocken-Phaseneinstellung nur für die Einlassventile oder die Auslassventile verwenden.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen Motoren mit Kompressionszündung, die mit VLC/VCP-Systemen ausgestattet sind. Weitere Ausführungsformen umfassen mehrstufige Hubsysteme bei Wechseln zwischen zwei beliebigen Stufen. Weitere Ausführungsformen umfassen nockenlose Ventilbetätigungssysteme, die zwischen Öffnungen mit niedrigem Hub und Öffnungen mit hohem Hub wechseln.

Claims

Verfahren zum Steuern von Motorventilen (18, 20) in einem Verbrennungsmotor (10), die ausgebildet sind, um selektiv mit einem ersten Ventilhubprofil oder mit einem zweiten Ventilhubprofil zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird; ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil ermittelt wird; ein Steuerschema ermittelt wird, um die Motorventile (18, 20) zu steuern, wobei Phaseneinstellungen für das Schließen von Einlassventilen (20) und Auslassventilen (18) berechnet werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen; und das Steuerschema ausgeführt wird und die Motorventile (18, 20) zu dem zweiten Ventilhubprofil übergeleitet werden, wenn das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Luftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil mittels der Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (18) und der Auslassventile (20) innerhalb des Verstellbereichs der jeweiligen Phaseneinstellungen erreichbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (10), der ausgebildet ist, um selektiv mit dem ersten Ventilhubprofil oder mit dem zweiten Ventilhubprofil zu arbeiten, umfasst, dass: der Verbrennungsmotor (10) ausgebildet ist, um die Größe des Hubs der Motorventile (18, 20) auf eine von mehreren diskreten Hubstufen zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsmotor (10) ausgebildet ist, um Phaseneinstellungen der Motorventile (18, 20) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst, dass die Phaseneinstellungen der Motorventile (18, 20) selektiv gesteuert werden, um einen Zustand mit negativer Ventilüberlappung zwischen einem Schließen eines Motor-Auslassventils (18) und einem nachfolgenden Öffnen eines Motor-Einlassventils (20) im Anschluss an das Wechseln zu dem zweiten Ventilhubprofil erreicht wird, wenn das zweite Ventilhubprofil eine Position mit niedrigem Hub umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Zylindereinlassvolumens während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil, bei dem ein steuerbares zweistufiges Ventilhubsystem (22) in eine erste Ventilhubposition gesteuert wird, ferner umfasst, dass eine Luftmasse ermittelt wird, die in dem Zylinder bei einem Schließen eines Einlassventils (20) eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln des Zylindervolumens ferner umfasst, dass eine Gleichung ausgeführt wird, um einen berechneten Wert für die Massenströmungsrate der Luft zu ermitteln, die in dem Zylinder bei dem Schließen des Einlassventils (20) eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln der in dem Zylinder bei dem Schließen des Einlassventils (20) eingeschlossenen Luftmasse umfasst, dass eine Differenz zwischen Zylindervolumina bei dem Schließen des Einlassventils (20) und bei dem Schließen des Auslassventils (18) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Steuerschemas, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen, umfasst, dass: Phaseneinstellungen des Öffnens der Einlass- (20) und Auslassventile (18) ermittelt werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des Steuerschemas, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen, umfasst, dass: ein erstes der Einlass- (20) und Auslassventile (18) als ein vorherrschendes Ventil bezeichnet wird und ein zweites der Einlass- (20) und Auslassventile ( 18) als ein Hilfsventil bezeichnet wird, um die Motorluftströmung während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil zu steuern; ein Schließzeitpunkt des vorherrschenden Ventils ermittelt wird, um das ermittelte Zylindereinlassvolumen mit dem ersten Ventilhubprofil zu erreichen; und ein Schließzeitpunkt des Hilfsventils ermittelt wird, um das ermittelte Zylindereinlassvolumen mit dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner umfasst, dass das Einlassventil (20) als vorherrschendes Ventil bezeichnet wird und dass das Auslassventil (18) als Hilfsventil bezeichnet wird, um die Motorluftströmung während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil zu steuern, das einen hohen Ventilhub umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner umfasst, dass das Auslassventil (18) als vorherrschendes Ventil bezeichnet wird und dass das Einlassventil (20) als Hilfsventil bezeichnet wird, um die Motorluftströmung während des Betriebs mit dem ersten Ventilhubprofil zu steuern, das einen niedrigen Ventilhub umfasst.
Verfahren zum Steuern einer Luftströmung in einen Verbrennungsmotor (10), der selektiv bei einer ersten Motor-Ventilhubposition oder bei einer zweiten Motor-Ventilhubposition während eines Wechsels zwischen diesen betriebsfähig ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motor (10) ausgebildet wird, um Phaseneinstellungen von Motorventilen (18, 20) zu steuern; eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird; ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Ventilhubposition ermittelt wird; ein Ventilsteuerschema ermittelt wird, bei dem Phaseneinstellungen für das Schließen von Einlassventilen (20) und Auslassventilen (18) berechnet werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen; und in die zweite Ventilhubposition umgeschaltet wird und das Ventilsteuerschema ausgeführt wird, wenn das Zylindereinlassvolumen für den Betrieb bei der zweiten Ventilhubposition mittels der Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (18) und der Auslassventile (20) innerhalb des Verstellbereichs der jeweiligen Phaseneinstellungen erreichbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln des Zylindereinlassvolumens für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Ventilhubposition, wobei das steuerbare zweistufige Ventilhubsystem in die erste Ventilhubposition gesteuert wird, ferner umfasst, dass eine Luftmasse ermittelt wird, die in dem Zylinder bei dem Schließen eines Einlassventils (20) eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ermitteln der in dem Zylinder bei dem Schließen des Einlassventils (20) eingeschlossenen Luftmasse umfasst, dass eine Differenz zwischen Zylindervolumina bei dem Schließen des Einlassventils (20) und bei dem Schlieren des Auslassventils (18) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Ermitteln des Ventilsteuerschemas, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen, umfasst, dass: Phaseneinstellungen des Öffnens der Einlass- (20) und Auslassventile (18) ermittelt werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln des Ventilsteuerschemas, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen, umfasst, dass: ein erstes der Einlass- (20) und Auslassventile (18) als ein vorherrschendes Ventil bezeichnet wird und ein zweites der Einlass- (20) und Auslassventile (18) als ein Hilfsventil bezeichnet wird, um die Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Ventilhubposition zu steuern; ein Schließzeitpunkt des vorherrschenden Ventils ermittelt wird, um das ermittelte Zylindereinlassvolumen bei der ersten Ventilhubposition zu erreichen; und ein Schließzeitpunkt des Hilfsventils ermittelt wird, um das ermittelte Zylindereinlassvolumen bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen.
Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (10) während eines Wechsels zwischen einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung und einem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung, wobei der Verbrennungsmotor (10) ein steuerbares zweistufiges Ventilhubsystem (22, 24) und ein variables Nocken-Phaseneinstellungssystem (22, 24) aufweist, die dazu dienen, das Öffnen und Schließen von Einlass- (20) und Auslassventilen (18) zu steuern, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motorbetrieb und eine Drehmomentanforderung eines Betreibers überwacht werden; ein Wechsel zwischen dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung und dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung basierend auf dem Motorbetrieb befohlen wird; dem zweistufigen Ventilhubsystem (22, 24) befohlen wird, von einer ersten Ventilhubposition in eine zweite Ventilhubposition umzuschalten; eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird; ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Ventilhubposition ermittelt wird; ein Steuerschema ermittelt wird, um das Öffnen und Schließen der Motorventile (18, 20) zu steuern, wobei Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (20) und der Auslassventile (18) berechnet werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der zweiten Ventilhubposition zu erreichen; und das Steuerschema ausgeführt wird und in die zweite Ventilhubposition gewechselt wird, wenn das Zylindereinlassvolumen für den Betrieb bei der zweiten Ventilhubposition mittels der Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (18) und der Auslassventile (20) innerhalb des Verstellbereichs der jeweiligen Phaseneinstellungen erreichbar ist.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst, dass eine Phaseneinstellung der Motorventile (18, 20) selektiv gesteuert wird, um einen Zustand mit negativer Ventilüberlappung zwischen einem Schließen des Auslassventils (18) und einem nachfolgenden Öffnen des Einlassventils (20) im Anschluss an das Wechseln in die zweite Ventilhubposition erreicht wird, wenn die zweite Ventilhubposition eine Position mit niedrigem Hub umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ermitteln des Zylindereinlassvolumens für die gewünschte Motorluftströmung während des Betriebs bei der ersten Ventilhubposition ferner umfasst, dass: eine Luftmasse ermittelt wird, die in einem Zylinder des Motors (10) bei dem Schließen des Einlassventils (20) eingeschlossen wird; und das Zylindervolumen ermittelt wird, das der Luftmasse entspricht, die in dem Zylinder des Motors (10) eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ermitteln des Zylindervolumens für die Massenströmung der Luft, die in dem Zylinder des Motors (10) eingeschlossen wird, umfasst, dass Zylindervolumina bei dem Schließen des Einlassventils (20) und bei dem Schließen des Auslassventils (18) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst, dass: ein steuerbares Motordrosselventil (34) in eine weit offene Drosselposition gesteuert wird, wenn der gewechselte Verbrennungsmodus den Verbrennungsmodus mit Selbstzündung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst, dass: ein steuerbares Motordrosselventil (34) gesteuert wird, wenn der gewechselte Verbrennungsmodus den Verbrennungsmodus mit Funkenzündung umfasst.
Verfahren zum Steuern von Motorventilen (18, 20) eines Verbrennungsmotors (10), die ausgebildet sind, um selektiv mit einem ersten Ventilhubprofil oder mit einem zweiten Ventilhubprofil zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine gewünschte Motorluftströmung basierend auf einer Drehmomentanforderung eines Betreibers ermittelt wird; ein Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung bei dem ersten oder dem zweiten Ventilhubprofil ermittelt wird, das jeweils wirksam ist; ein Steuerschema ermittelt wird, um die Motorventile (18, 20) zu steuern, wobei Phaseneinstellungen für das Schliefen von Einlassventilen (20) und Auslassventilen (18) berechnet werden, um das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Motorluftströmung bei dem ersten oder bei dem zweiten Ventilhubprofil zu erreichen, das jeweils unwirksam ist; und das Steuerschema ausgeführt wird und die Motorventile (18, 20) in das unwirksame des ersten oder des zweiten Ventilhubprofils übergeleitet werden, wenn das Zylindereinlassvolumen für die gewünschte Luftströmung bei dem ersten oder dem zweiten Ventilhubprofil, das jeweils unwirksam ist, mittels der Phaseneinstellungen für das Schließen der Einlassventile (18) und der Auslassventile (20) innerhalb des Verstellbereichs der jeweiligen Phaseneinstellungen erreichbar ist.