DE112018002559T5 - Dynamic valve control in an engine with skip fire control - Google Patents
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Abstract
Beschrieben sind verschiedene Verfahren und Anordnungen zur Verbesserung von Kraftstoffausnutzung und Geräusche, Vibration und Rauheit (NVH) bei einem Motor mit Skip-Fire-Regelung. Eine Motorregelung wählt dynamisch eine Gasfederart für eine abgeschaltete Zündungsgelegenheit aus. Das Festlegen des Skip/Fire-Musters und der Gasfederart kann von Zündungsgelegenheit zu Zündungsgelegenheit erfolgen.Various methods and arrangements are described for improving fuel efficiency and noise, vibration and roughness (NVH) in an engine with skip fire control. An engine control dynamically selects a gas spring type for a switched off ignition opportunity. The setting of the skip / fire pattern and the type of gas spring can take place from ignition opportunity to ignition opportunity.
Description
QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGENCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung 62/508,020 (P064P), die am 18. Mai 2017 eingereicht wurde und deren Inhalt hierin bezugnehmend vollständig enthalten ist.This application claims priority from U.S. Provisional Patent Application 62 / 508,020 (P064P), filed May 18, 2017, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Skip-Fire-Regelung. Verschiedene Ausführungsformen betreffen das Ändern der Zeitsteuerung von Zylinder-Einlass- und Auslassereignissen zum Bilden unterschiedlicher Arten von Gasfedern innerhalb der Zylinder des Motors.The present invention relates generally to the operation of an internal combustion engine with skip fire control. Various embodiments relate to changing the timing of cylinder intake and exhaust events to form different types of gas springs within the cylinders of the engine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die meisten der heutzutage verwendeten Fahrzeuge (und viele andere Vorrichtungen) werden von Verbrennungsmotoren angetrieben. Ein Verbrennungsmotor weist üblicherweise einen Ausweichkolben auf, der sich innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegt. Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Zylinders, und das sich ergebende Drehmoment wird durch den Kolben über eine Pleuelstange an eine Kurbelwelle übertragen. Bei einem Viertaktmotor werden Luft und in manchen Fällen Kraftstoff durch ein Einlassventil in den Zylinder eingeleitet, und Verbrennungsabgase werden durch ein Auslassventil ausgestoßen. In einem typischen Motorbetrieb variieren die Zylinderzustände zyklisch und treffen in einem sich wiederholenden Muster auf einen Einlass-, Verdichtungs-, Ausdehnungs- und Auslasstakt in dieser Reihenfolge. Jedes sich wiederholende Muster kann als ein Arbeitszyklus des Zylinders bezeichnet werden.Most of the vehicles used today (and many other devices) are powered by internal combustion engines. An internal combustion engine typically has an evasive piston that reciprocates within a cylinder. The combustion takes place inside the cylinder and the resulting torque is transmitted to a crankshaft by the piston via a connecting rod. In a four-stroke engine, air and, in some cases, fuel are introduced into the cylinder through an intake valve, and combustion exhaust gases are exhausted through an exhaust valve. In typical engine operation, cylinder conditions vary cyclically and meet an intake, compression, expansion and exhaust stroke in that order in a repeating pattern. Each repeating pattern can be referred to as a cylinder duty cycle.
Verbrennungsmotoren weisen üblicherweise eine Mehrzahl an Zylindern oder sonstigen Arbeitskammern auf, in denen eine Luft-Kraftstoff-Mischung verbrannt wird. Die Arbeitszyklen, die den verschiedenen Motorzylindern zugeordnet sind, sind zeitweise miteinander verzahnt, so dass der Ausdehnungstakt, der den verschiedenen Zylindern zugeordnet ist, näherungsweise gleich beabstandet ist, um den reibungslosesten Motorbetrieb bereitzustellen. Die während des Ausdehnungstakts auftretende Verbrennung erzeugt das gewünschte Drehmoment sowie verschiedene Abgase. Der Ausdehnungstakt wird oft als Verbrennungs- oder Arbeitstakt bezeichnet, da er der Leistung erzeugende Takt ist.Internal combustion engines usually have a plurality of cylinders or other working chambers in which an air-fuel mixture is burned. The duty cycles associated with the various engine cylinders are interlocked at times so that the expansion stroke associated with the various cylinders is approximately equally spaced to provide the smoothest engine operation. The combustion that occurs during the expansion stroke generates the desired torque and various exhaust gases. The expansion stroke is often referred to as a combustion or work stroke because it is the power generating stroke.
Im normalen Fahrbetrieb muss das Drehmoment, das von einem Verbrennungsmotor erzeugt wird, über einen breiten Bereich variieren, um die betriebsbedingten Anforderungen des Fahrers erfüllen zu können. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Verfahren zum Regeln des Drehmoments von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen und genutzt. Einige dieser Ansätze sehen das Variieren des tatsächlichen Motorhubvolumens vor. Zwei verschiedene Motorregelungsansätze, die das tatsächliche Motorhubvolumen variieren, umfassen: (1) die Verwendung von mehreren festgelegten Hubvolumina; und (2) Skip-Fire-Motorbetrieb. Bei einer Regelung mit mehreren festgelegten Hubvolumina wird ein festgelegter Zylindersatz bei Schwachlastbedingungen deaktiviert; beispielsweise kann ein 8-Zylinder-Motor unter bestimmten Bedingungen mit denselben 4 Zylindern betrieben werden. Im Gegensatz hierzu funktioniert die Skip-Fire-Regelung, indem ein Zylinder manchmal abgeschaltet und manchmal gezündet wird. Bei einigen Verbrennungsmotoren sind alle Zylinder in der Lage, abgeschaltet oder gezündet zu werden, während bei anderen Motoren nur eine bestimmte Teilmenge der Motorzylinder die Skip-Fire-Fähigkeit aufweisen. Allgemein gilt, dass die Skip-Fire-Motorregelung verschiedene mögliche Vorteile bietet, einschließlich des Potentials, bei vielen Anwendungen eine erheblich verbesserte Kraftstoffausnutzung bereitzustellen. Obwohl das Konzept der Skip-Fire-Motorregelung bereits seit vielen Jahren existiert und seine Vorteile bekannt sind, hat die Skip-Fire-Motorregelung erst in letzter Zeit einen gewissen wirtschaftlichen Erfolg entwickelt.In normal driving, the torque generated by an internal combustion engine must vary over a wide range in order to be able to meet the operational requirements of the driver. Various methods for regulating the torque of internal combustion engines have been proposed and used over the years. Some of these approaches involve varying the actual engine stroke volume. Two different engine control approaches that vary the actual engine stroke volume include: (1) the use of multiple fixed stroke volumes; and (2) skip fire engine operation. In the case of regulation with several fixed stroke volumes, a fixed cylinder set is deactivated under low load conditions; For example, an 8-cylinder engine can be operated with the same 4 cylinders under certain conditions. In contrast, the skip fire control works by sometimes turning a cylinder off and sometimes firing it. In some internal combustion engines, all cylinders are capable of being switched off or ignited, while in other engines only a certain subset of the engine cylinders have the skip fire capability. In general, skip fire engine control offers several possible benefits, including the potential to provide significantly improved fuel economy in many applications. Although the concept of skip-fire motor control has existed for many years and its advantages are known, skip-fire motor control has only recently developed a certain economic success.
Es ist wohlbekannt, dass der Betrieb von Motoren dazu tendiert, eine Quelle von erheblichem Lärm und Vibrationen darzustellen, was im Fachgebiet oftmals als NVH (noise, vibration and harshness = Geräusche, Vibration und Rauheit) bezeichnet wird. Generell gilt, dass ein typisches Stereotyp, das der Skip-Fire-Motorregelung zugeordnet wird, darin besteht, dass ein Skip-Fire-Betrieb eines Motors dazu führt, dass der Motor im Vergleich mit einem herkömmlich betriebenen Motor erheblich rauer, das heißt mit erhöhten NVH, läuft. Bei vielen Anwendungen wie beispielsweise Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich besteht eine der größten Herausforderungen bei der Skip-Fire-Motorregelung in der Vibrationskontrolle. In der Tat stellt das Unvermögen, NVH-Belange zufriedenstellend zu lösen, eines der größten Hindernisse dar, die eine weitverbreitete Verwendung von Motorregelungen der Skip-Fire-Art bislang verhindert haben.It is well known that engine operation tends to be a source of significant noise and vibration, which is often referred to in the art as NVH (noise, vibration and harshness). Generally speaking, a typical stereotype associated with skip fire engine control is that skip fire operation of an engine results in the engine being significantly rougher, i.e., increased, compared to a conventionally operated engine NVH, running. For many applications, such as automotive applications, one of the biggest challenges with skip fire engine control is vibration control. Indeed, the inability to satisfactorily resolve NVH issues is one of the major obstacles that have prevented the widespread use of skip-fire engine controls to date.
Die US-amerikanischen Patente 7,954,474, 7,886,715, 7,849,835, 7,577,511, 8,099,224, 8,131,445, 8,131,447, 8,616,181, 8,701,628, 9,086,020 9,328,672, 9,387,849, 9,399,964, 9,512,794, 9,745,905 und weitere beschreiben eine Vielzahl von Motorregelungen, die einen praktischen Betrieb einer großen Bandbreite von Verbrennungsmotoren in einem Skip-Fire-Betriebsmodus ermöglichen. All diese Patente und diese Patentanmeldungen sind hierin bezugnehmend enthalten. Obwohl die beschriebenen Regelungen gut funktionieren, gibt es anhaltende Bemühungen, die Leistung dieser und anderer Skip-Fire-Motorregelungen zu verbessern, um NVH-Probleme weiter abzuschwächen und die Kraftstoffausnutzung bei Motoren, die mit Skip-Fire-Regelung betrieben werden, zu verbessern. Die vorliegende Anmeldung beschreibt zusätzliche Skip-Fire-Regelungsmerkmale und -Erweiterungen, die die Motorleistung bei einer Vielzahl von Anwendungen verbessern können.U.S. Patents 7,954,474, 7,886,715, 7,849,835, 7,577,511, 8,099,224, 8,131,445, 8,131,447, 8,616,181, 8,701,628, 9,086,020 9,328,672, 9,387,849, 9,399,964, 9,512,794, 9,745,905, and other methods describe a variety of engines, a variety of engines, a wide range of combustion engines enable in a skip fire operating mode. Alles these patents and patent applications are incorporated herein by reference. Although the controls described work well, there is ongoing effort to improve the performance of these and other skip fire controls to further mitigate NVH problems and improve fuel economy in skip fire engines. The present application describes additional skip fire control features and enhancements that can improve engine performance in a variety of applications.
KURZDARSTELLUNGSUMMARY
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden ein System und ein Verfahren zum Variieren der Arten von Gasfedern in einer abgeschalteten Arbeitskammer eines Motors mit Skip-Fire-Regelung beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen betreffen das Ändern der Zeitsteuerung von Zylinder-Einlass- und Auslassereignissen, um die Beschaffenheit von Gasen, die während eines abgeschalteten Arbeitszyklus in der Arbeitskammer eingeschlossen sind, zu modifizieren. Die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung und der Zündung können ebenfalls modifiziert werden. Die Beschaffenheit der Gasfeder kann variiert werden, um NVH-Pegel und Kraftstoffausnutzung zu verbessern. Ölverbrauch und Abgasemissionen können bei der Festlegung der Gasfederart ebenfalls berücksichtigt werden.In various embodiments, a system and method for varying the types of gas springs in a deactivated working chamber of an engine with skip fire control are described. Various embodiments relate to changing the timing of cylinder intake and exhaust events to modify the nature of gases trapped in the work chamber during a shutdown duty cycle. The timing of fuel injection and ignition can also be modified. The nature of the gas spring can be varied to improve NVH levels and fuel economy. Oil consumption and exhaust emissions can also be taken into account when determining the type of gas spring.
Bei einem Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern der Beschaffenheit der Gase, die in einer Arbeitskammer während eines abgeschalteten Arbeitszyklus eingeschlossen sind, beschrieben. Abhängig von der Öffnungs- und Schließfolge von Einlass- und Auslassventilen weisen die eingeschlossenen Gase unterschiedliche Massen und Bestandteile auf, die während dem/den abgeschalteten Arbeitszyklus/Arbeitszyklen wirksam Gasfedern bilden. Ein abgeschalteter Arbeitszyklus kann eine Niederdruck-Auslassfeder (low pressure exhaust spring - LPES), eine Hochdruck-Auslassfeder (high pressure exhaust spring - HPES) oder eine Luftfeder (air spring - AS) aufweisen. Die Art der Gasfeder kann gewählt werden, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu optimieren und einen annehmbaren NVH-Pegel zu bieten.In one aspect, a method for controlling the nature of the gases trapped in a work chamber during a shutdown work cycle is described. Depending on the opening and closing sequence of the inlet and outlet valves, the enclosed gases have different masses and constituents, which effectively form gas springs during the switched off working cycle (s). A shutdown cycle may include a low pressure exhaust spring (LPES), a high pressure exhaust spring (HPES), or an air spring (AS). The type of gas spring can be selected to optimize fuel efficiency and provide an acceptable NVH level.
Bei einem weiteren Aspekt legt eine Motorregelung eine Fire/Skip-Abfolge fest, die für die Bereitstellung einer gewünschten Motorleistung angemessen ist. Die Fire/Skip-Abfolge schließt Informationen zur Art der Gasfeder, die in abgeschalteten Arbeitszyklen vorhanden ist, und der Zeitsteuerung, die für das Deaktivieren von Ventilen verfügbar ist, ein.In another aspect, engine control establishes a fire / skip sequence that is appropriate for providing desired engine power. The fire / skip sequence includes information about the type of gas spring that is present in off-duty cycles and the timing that is available for valve deactivation.
Bei einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Motors als Reaktion auf eine „Kein Drehmoment“-Anforderung beschrieben. Alle Arbeitskammern des Motors werden als Reaktion auf die „Kein Drehmoment“-Anforderung abgeschaltet. Während der Dauer der Deaktivierung funktioniert jede Arbeitskammer für wenigstens einen Arbeitszyklus der abgeschalteten Arbeitszyklen mit einer Luftfeder oder einer Gasfeder der Art Hochdruck-Auslassfeder.In another aspect, a method of operating an engine in response to a "no torque" request is described. All of the engine's working chambers are shut down in response to the “no torque” request. During the deactivation period, each working chamber functions for at least one working cycle of the switched-off working cycles with an air spring or a gas spring of the high-pressure outlet spring type.
Die verschiedenen Aspekte und Merkmale, die vorstehend beschrieben sind, können entweder einzeln oder in einer beliebigen Kombination umgesetzt werden.The various aspects and features described above can be implemented either individually or in any combination.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung und deren Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren verstanden, wobei für die Figuren gilt:
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1 ist ein schematisches Beispieldiagramm, das einen Teilbereich eines Motorsystems zeigt. -
2 ist ein charakteristisches Schaubild der Beziehung von Druck und Volumen in einem Zylinder während eines Arbeitszyklus. -
3 ist ein charakteristisches Schaubild der Beziehung von Druck und Volumen einer Gasfeder der Art Niederdruck-Auslassfeder in einem Zylinder. -
4 ist ein charakteristisches Schaubild der Beziehung von Druck und Volumen einer Gasfeder der Art Hochdruck-Auslassfeder in einem Zylinder. -
5 ist ein charakteristisches Schaubild der Beziehung von Druck und Volumen einer Gasfeder der Art Luftfeder in einem Zylinder. -
6 ist ein charakteristisches Schaubild, das Drehmomentkurven von Luftfeder-, Hochdruck-Auslassfeder-, Niederdruck-Auslassfeder-Gasfedern zeigt, die einem einzelnen Zylinder zugeordnet sind. -
7 ist ein charakteristisches Schaubild der Gesamt-Motordrehmomentkurve eines Skip-Fire-geregelten Achtzylindermotors, der mit einem Zündungsanteil von ½ mit einer Gasfeder der Art Niederdruck-Auslassfeder und Hochdruck-Auslassfeder betrieben wird. -
8 ist ein schematisches Beispieldiagramm, das ein beispielhaftes Motorregelsystem zeigt. -
9 ist ein Schaubild des Bremsmoments in Abhängigkeit des Einlasskrümmer-Absolutdrucks bei einer Gasfeder der Art Niederdruck-Auslassfeder und Luftfeder eines charakteristischen Motors. -
10 ist ein Schaubild des Bremsmoments in Abhängigkeit der Luftmassenladung bei einer Gasfeder der Art Niederdruck-Auslassfeder und Luftfeder eines charakteristischen Motors. -
11 ist ein Schaubild des bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs in Abhängigkeit des Bremsmitteldrucks bei einer Gasfeder der Art Niederdruck-Auslassfeder und Luftfeder eines charakteristischen Motors. - In den Zeichnungen werden gelegentlich identische Bezugszeichen zur Bezeichnung identischer Strukturelemente verwendet. Es versteht sich zudem, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch und nicht maßstabsgerecht sind.
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1 FIG. 12 is a schematic example diagram showing a portion of an engine system. -
2 is a characteristic graph of the relationship between pressure and volume in a cylinder during a work cycle. -
3 Fig. 3 is a characteristic graph of the relationship between pressure and volume of a gas spring of the low pressure exhaust spring type in a cylinder. -
4 Fig. 3 is a characteristic graph of the relationship between pressure and volume of a gas spring of a high pressure exhaust spring type in a cylinder. -
5 is a characteristic graph of the relationship between pressure and volume of a gas spring of the air spring type in a cylinder. -
6 Fig. 4 is a characteristic graph showing torque curves of air spring, high pressure exhaust spring, low pressure exhaust spring gas springs associated with a single cylinder. -
7 is a characteristic graph of the overall engine torque curve of a skip-fire controlled eight-cylinder engine with an ignition percentage of ½ with a Gas spring of the type low pressure exhaust spring and high pressure exhaust spring is operated. -
8th FIG. 12 is a schematic example diagram showing an example engine control system. -
9 is a graph of the braking torque as a function of the intake manifold absolute pressure for a gas spring of the type low pressure exhaust spring and air spring of a characteristic engine. -
10 is a graph of the braking torque as a function of the air mass charge for a gas spring of the type low pressure exhaust spring and air spring of a characteristic engine. -
11 is a graph of the brake-specific fuel consumption as a function of the brake medium pressure for a gas spring of the type low pressure exhaust spring and air spring of a characteristic engine. - In the drawings, identical reference symbols are sometimes used to designate identical structural elements. It also goes without saying that the representations in the figures are schematic and are not to scale.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Die vorliegende Erfindung betrifft das Verbessern des Betriebs eines Skip-Fire-geregelten Verbrennungsmotors, der ein Antriebsmoment bereitstellt, um ein Fahrzeug mit Leistung zu versorgen. Die vorliegende Erfindung offenbart, dass bei Ändern der Zeitsteuerung von Ansaugungs- und Auslassereignissen die Gase, die in einer Arbeitskammer oder einem Zylinder während einer abgeschalteten Zündungsgelegenheit eingeschlossen sind, voneinander abweichen können. Die eingeschlossenen Gase bilden unterschiedliche Arten von „Gasfedern“, und die Art der verwendeten Gasfeder kann abhängig von Zylinderlast, Motordrehzahl und Skip-Fire-Muster variieren. In diesem Fall bezieht sich „Gasfederart“ auf die Menge und die Art des Gases, das in einem deaktivierten Zylinder eingeschlossen ist. Verschiedene Arten von Zylinder-Deaktivierungsstrategien können für den Skip-Fire-Betrieb verwendet werden. Die Deaktivierungsstrategien können allgemein in drei Arten aufgegliedert werden: Niederdruck-Auslassfeder (LPES), Hochdruck-Auslassfeder (HPES) und Luftfeder (AS). Jede Kategorie variiert die Reihenfolge und die Zeitsteuerung der Deaktivierung/Reaktivierung von Einlassventilen, Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzung und Zündpunkteinstellung. Innerhalb jeder dieser Gasfederarten existieren verschiedene Unterkategorien, die nachstehend beschrieben werden und die sich darin unterscheiden, welches Ventil die Auslassfolge beginnt oder beendet.The present invention relates to improving the operation of a skip fire regulated internal combustion engine that provides drive torque to power a vehicle. The present invention discloses that as the timing of intake and exhaust events changes, the gases trapped in a work chamber or cylinder during an off ignition opportunity may differ. The enclosed gases form different types of "gas springs" and the type of gas spring used can vary depending on the cylinder load, engine speed and skip fire pattern. In this case, “gas spring type” refers to the amount and type of gas contained in a deactivated cylinder. Different types of cylinder deactivation strategies can be used for skip fire operation. The deactivation strategies can generally be broken down into three types: low pressure exhaust spring (LPES), high pressure exhaust spring (HPES) and air spring (AS). Each category varies the order and timing of deactivation / reactivation of intake valves, exhaust valves, fuel injection, and ignition timing. Within each of these types of gas springs there are different subcategories, which are described below and differ in which valve starts or ends the exhaust sequence.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln des Betriebs von Einlass- und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors während eines Skip-Fire-Betriebs. Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Ventile geregelt, indem ein Exzenternocken verwendet wird, um die Ventile zu öffnen und zu schließen. Ein zusammenschiebbarer Ventilheber kann im Ventilzug verbaut sein, um die Deaktivierung der Ventile während eines abgeschalteten Arbeitszyklus zu ermöglichen. Das bedeutet, dass das Ventil geschlossen bleibt, solange sich der zusammenschiebbare Ventilheber, der dem Ventil zugeordnet ist, in seinem zusammengeschobenen Zustand befindet, und sich mit der Nockenrotation öffnet und schließt, wenn sich der Ventilheber in seinem starren Zustand befindet. Zusammenschiebbare Ventilheber sind eine Form einer allgemeinen Klasse von Leerlaufsystemen, bei denen die Nockenrotation nicht zu einer Ventilbewegung führt. Eine Ventildeaktivierung kann alternativ hierzu durch einen Schiebenocken, zusammenschiebbaren Spielausgleich oder zusammenschiebbaren Rollenschlepphebel und andere Verfahren geregelt werden. Die Ventilzeitsteuerung kann mit einem Nockenwellenversteller geregelt werden, der die Öffnungs-/Schließzeiten des Ventils in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel steuert. Bei einigen Ausführungsformen ist kein Nocken erforderlich, um die Ventile zu bewegen. Die Ventilbewegung kann durch elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Mittel erreicht werden. Alle dieser Ventilbewegungssysteme können mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.The present invention relates generally to methods and apparatuses for regulating the operation of intake and exhaust valves of an internal combustion engine during a skip fire operation. In various embodiments, the valves are controlled using an eccentric cam to open and close the valves. A collapsible valve lifter can be installed in the valve train to enable the valves to be deactivated during a switched off working cycle. This means that the valve remains closed as long as the collapsible valve lifter associated with the valve is in its collapsed state and opens and closes with the cam rotation when the valve lifter is in its rigid state. Collapsible valve lifters are a form of a general class of idle systems in which cam rotation does not result in valve movement. A valve deactivation can alternatively be regulated by means of a sliding cam, collapsible play compensation or collapsible roller cam followers and other methods. The valve timing control can be controlled with a camshaft adjuster, which controls the opening / closing times of the valve depending on the crank angle. In some embodiments, a cam is not required to move the valves. The valve movement can be achieved by electromagnetic, hydraulic or pneumatic means. All of these valve movement systems can be used with the present invention.
Bei einer Ausführungsform können die Verbrennungs- und Gasaustauschprozesse eines Verbrennungsmotors, der in einem Skip-Fire-Modus betrieben wird, geändert werden, so dass die Netto- oder Gesamt-Drehmoment-Erzeugungseigenschaften modifiziert werden. Insbesondere kann die Gasfederart von deaktivierten Zylindern modifiziert werden, um das Drehmoment-Zeitverlaufprofil anzupassen. Eine adäquate Zeitsteuerung des mittels Gasfeder hervorgerufenen Drehmoments bezogen auf die Zylinderzündungsereignisse kann zu einer Gesamt-Motordrehmoment-Wellenform mit gewünschten Eigenschaften führen. Beispielsweise können Frequenzen, die von den Fahrzeuginsassen am ehesten als Vibration oder Lärm empfunden werden, weniger Inhalt aufweisen. Der Zylinder kann zudem abhängig von der Art der Gasfeder und der Zylinderlast mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden.In one embodiment, the combustion and gas exchange processes of an internal combustion engine operating in a skip fire mode may be changed so that the net or total torque generation characteristics are modified. In particular, the gas spring type of deactivated cylinders can be modified in order to adapt the torque-time profile. Adequate timing of the gas spring induced torque based on the cylinder firing events can result in an overall engine torque waveform with desired properties. For example, frequencies that are most perceived by vehicle occupants as vibration or noise may have less content. The cylinder can also be operated with higher efficiency depending on the type of gas spring and the cylinder load.
Für einen besseren Kraftstoffwirkungsgrad ist es erstrebenswert, die Pumpverluste so gering wie möglich zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass das Drosselventil geöffnet wird, wodurch der Teilabschnitt der PV-Kurve zwischen den Punkten A und B näher an den Atmosphärendruck verschoben wird. Das Verringern der Pumpverluste ist ein Hauptgrund dafür, dass der Skip-Fire-Betrieb einen besseren Kraftstoffwirkungsgrad bietet, da die Motorleistung im Wesentlichen durch die Zündungsdichte und nicht durch das Drosseln des Luftstroms in den Motor geregelt wird.For better fuel efficiency, it is desirable to keep pumping losses as low as possible. This is achieved by opening the throttle valve, which shifts the section of the PV curve between points A and B closer to atmospheric pressure. Reducing pumping losses is a major reason that skip-fire operation provides better fuel efficiency, since engine performance is essentially controlled by the ignition density and not by throttling the airflow into the engine.
Wird ein Zylinder in einem Arbeitszyklus abgeschaltet oder deaktiviert anstatt gezündet zu werden, ist die PV-Kurve anders als in
Eine Art von Gasfeder ist eine Niederdruck-Auslassfeder (LPES), deren PV-Eigenschaften in
In der Praxis würde sich der Spitzendruck der Niederdruck-Auslassfeder langsam erhöhen, bis ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht wäre. Abhängig von Kurbelgehäusedruck und Brennkammerdruck können Dämpfe aus dem Kurbelgehäuse vom Kurbelgehäuse um die Kolbenringe und in den Zylinder strömen und die Masse und den Druck von im Zylindervolumen eingeschlossenem Gas erhöhen. Wird die Entscheidung getroffen, diesen Zylinder zu reaktivieren, besteht eine Option darin, zuerst das Einlassventil zu reaktivieren, was bewirkt, dass die Mischung aus übrigen Abgasen und Kurbelgehäusedämpfen im Zylinder durch eine Frischluftladung verstärkt wird. Kraftstoffeinspritzung und Zündfunken, falls notwendig, werden reaktiviert, und die Verbrennung wird wieder aufgenommen. Abschließend wird das Auslassventil reaktiviert, und der Zylinder befindet sich wieder im regulären Zündungsmodus.In practice, the peak pressure of the low pressure exhaust spring would slowly increase until thermodynamic equilibrium was reached. Depending on the crankcase pressure and combustion chamber pressure, vapors from the crankcase can flow from the crankcase around the piston rings and into the cylinder and increase the mass and pressure of gas trapped in the cylinder volume. If the decision is made to reactivate this cylinder, one option is to reactivate the intake valve first, which causes the mixture of other exhaust gases and crankcase vapors in the cylinder to be enhanced by a fresh air charge. Fuel injection and spark, if necessary, are reactivated and combustion resumes. Finally, the exhaust valve is reactivated and the cylinder is again in the regular ignition mode.
Eine Variante des Entleerungsverfahrens für Zylinder per Niederdruck-Auslassfeder-Regelung ist eine Niederdruck-Auslassfeder mit Wieder-Auslass. In diesem Fall wird das Auslassventil vor dem Einlassventil reaktiviert. Dies führt zu zwei Auslasstakten ohne einen dazwischen liegenden Ansaugtakt. Bei dieser Reaktivierungsstrategie wird zuerst das Auslassventil reaktiviert, gefolgt von Einlassventil und dann Kraftstoff und Zündfunken. Dafür gibt es mehrere Gründe. Erstens können, dadurch dass zuerst ein Wieder-Auslassereignis auftritt, Gase, die in den Zylinder gelaufen sind, vor der Ansaugung ausgeleitet werden, was die eingeleitete Ladung der eines Zylinders, der ohne Deaktivierung betrieben wird, ähnlicher macht. Ein regulär zündender Motor ist von einer Ventilüberschneidung und einem Gasströmungsmoment abhängig, um so viele überschüssige Abgase wie möglich aus dem Zylinder auszuleiten. Dies entfällt bei einer Niederdruck-Auslassfeder ohne Wieder-Auslass und führt zu einem geringeren Füllungsgrad beim ersten reaktivierten Zyklus. Zweitens würde in dem Fall, dass eine Verbrennung, möglicherweise fehlerhaft, während eines abgeschalteten Zyklus aufgetreten ist, der Wieder-Auslass verhindern, dass sich das Einlassventil an einer Hochdruck-Auslassfeder öffnet und möglicherweise einen Schaden des Ventilzugs bewirkt. Ein Wieder-Auslass könnte in einer Sicherheitsfunktion integriert wird, die erfordert, dass sich das Auslassventil eines beliebigen Zylinders öffnet, bevor sich das Einlassventil öffnen darf. Scheitert eine Öffnung des Auslassventils oder sind diese deaktiviert, würde das Einlassventil automatisch deaktiviert werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass seine Pumpschleife größer ist und somit die Energieeffizienz geringer als die normaler Niederdruck-Auslassfedern ist, wenn die Anzahl an abgeschalteten Zyklen gering ist. Wenn die Anzahl an abgeschalteten Zyklen steigt, gleicht sich die Leistung der beiden Verfahren im Wesentlichen an, da bei den meisten Takten identische Bedingungen vorliegen.A variant of the emptying process for cylinders by means of low-pressure outlet spring control is a low-pressure outlet spring with re-outlet. In this case, the exhaust valve is reactivated before the intake valve. This leads to two exhaust strokes without an intermediate intake stroke. In this reactivation strategy, the exhaust valve is reactivated first, followed by the intake valve, and then fuel and spark. There are mutliple reasons for this. First, by causing a re-exhaust event to occur first, gases that have spilled into the cylinder can be evacuated prior to induction, making the charge initiated more similar to that of a cylinder that is operated without deactivation. A regular ignition engine is dependent on valve overlap and gas flow torque in order to discharge as much excess exhaust gas as possible from the cylinder. This does not apply to a low-pressure outlet spring without re-outlet and leads to a lower degree of filling during the first reactivated cycle. Second, in the event that combustion, possibly faulty, occurred during a shutdown cycle, the re-exhaust would prevent the intake valve on a high pressure exhaust spring from opening and potentially causing valve train damage. A re-exhaust could be integrated into a safety function that requires the exhaust valve of any cylinder to open before the intake valve is allowed to open. If the outlet valve fails to open or is deactivated, the inlet valve would be deactivated automatically. A disadvantage of this method is that its pumping loop is larger and thus the energy efficiency is lower than the normal low pressure outlet springs when the number of cycles switched off is small. When the number of cycles switched off increases, the performance of the two methods essentially balances out, since most of the clocks have identical conditions.
Eine zweite Art von Gasfeder ist eine HPES, eine Hochdruck-Auslassfeder, deren PV-Eigenschaften in
Eine Variation des Hochdruck-Auslassfeder-Regelverfahrens ist die Hochdruck-Auslassfeder mit erneuter Kraftstoffzufuhr. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sobald die Entscheidung getroffen wurde, einen abschaltenden Zylinder zu reaktivieren, zuerst der Kraftstoff und anschließend Auslass und Einlass reaktiviert werden. Dies erfordert eine Direkteinspritzung und geht davon aus, dass ausreichend brennbare Ladung entweder aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder gelaufen ist oder in den Resten verblieben ist, die nach dem letzten Verbrennungsereignis noch ausgelassen werden müssen. Diese Variante ist insbesondere auf einen Magermixmotor anwendbar, bei dem erhebliche Mengen von überschüssigem Sauerstoff in den eingeschlossenen Resten verbleiben können.A variation of the high pressure exhaust spring control method is the high pressure exhaust spring with renewed fuel supply. The main difference is that once the decision is made to reactivate a deactivating cylinder, the fuel is reactivated first, followed by the exhaust and intake. This requires direct injection and assumes that sufficient combustible charge has either run out of the crankcase into the cylinder or has remained in the residues that still need to be left out after the last combustion event. This variant is particularly applicable to a lean mix engine, in which considerable amounts of excess oxygen can remain in the enclosed residues.
Eine weitere Variation des Hochdruck-Auslassfeder-Regelverfahrens ist die Hochdruck-Auslassfeder mit Wieder-Einlass. Bei dieser Strategie wird, wenn ein abschaltender Zylinder reaktiviert wird, zuerst das Einlassventil reaktiviert, gefolgt von Kraftstoff und Auslass. Dies ähnelt dem Reaktivierungsablauf der Niederdruck-Auslassfeder ohne erneutes Auslassen. Wie vorstehend aufgeführt hat diese Strategie das Potential, zu erheblichen Schäden am Ventilzug zu führen, da das Einlassventil bei einem Zylinderdruck geöffnet wird, der auf einer Höhe in der Nähe des Verbrennungsspitzendrucks liegt. Dies kann durch eine angemessene Konstruktion des Einlassventils und seines zugeordneten Ventilzugs verhindert werden. Durch Öffnen des Einlassventils bei einer Hochdruck-Auslassfeder werden die unter Hochdruck stehenden Abgasreste im Zylinder in den Einlasskrümmer hinab geblasen, was zu einer erheblichen Erwärmung der einlaufenden Ladung führt. Der Füllungsgrad kann bei dem ersten reaktivierten Zyklus niedrig sein. Die Einlassventile, Ansaugrohre und der Krümmer sollten entsprechend konstruiert sein, um mit Druck- und Temperaturpegeln umgehen zu können, die höher als normal sind. Dieses Verfahren weist während der Deaktivierung sehr hohe Ausdehnungs-/Verdichtungsverluste auf, die zu einem hohen negativen mittleren Feder-Arbeitsdruck und dementsprechend einem geringen Kraftstoffwirkungsgrad führen, wenn die Anzahl abgeschalteter Zyklen gering ist. Dieser Betriebsmodus kann insbesondere bei Motoren nützlich sein, bei denen einige Arbeitszyklen homogene Kompressionszündung (HCCI) oder ähnliche Arten von Verbrennungsstrategien verwenden.Another variation of the high pressure exhaust spring control method is the high pressure exhaust spring with re-inlet. With this strategy, when a deactivating cylinder is reactivated, the intake valve is reactivated first, followed by fuel and exhaust. This is similar to the reactivation process of the low pressure exhaust spring without re-emptying. As stated above, this strategy has the potential to cause significant damage to the valve train since the intake valve is opened at a cylinder pressure that is at a level near the combustion peak pressure. This can be prevented by an appropriate design of the intake valve and its associated valve train. By opening the inlet valve on a high-pressure outlet spring, the high-pressure exhaust gas residues in the cylinder are blown down into the intake manifold, which leads to considerable heating of the incoming charge. The fill level may be low on the first reactivated cycle. The intake valves, intake pipes and manifold should be designed to deal with pressure and temperature levels that are higher than normal. This method has very high expansion / compression losses during deactivation, which lead to a high negative mean spring working pressure and accordingly a low fuel efficiency if the number of cycles switched off is small. This mode of operation can be particularly useful for engines where some duty cycles use homogeneous compression ignition (HCCI) or similar types of combustion strategies.
Eine dritte Art von Gasfeder ist eine Luftfeder (AS), deren PV-Eigenschaften in
Eine Variante einer Luftfeder ist eine Kraftstoff-/Luftfeder. Bei einem PFI-Motor würden Einlass und Kraftstoffeinspritzung regulär auftreten, der Zündfunke würde jedoch deaktiviert, wenn eine Entscheidung zum Abschalten getroffen wurde. Die Luftfeder wäre bei diesem Szenario eher eine Kraftstoff-/Luftfeder, da das eingeleitete Gas bei einem PFI-Motor ein Luft-/Kraftstoffgemisch ist. In Abwesenheit von Selbstzündung würden Masse und Druck des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder wiederum über die Zeit abnehmen, da Massen- und Wärmeverluste an das Kurbelgehäuse bzw. die Zylinderwandung nach wie vor auftreten würden. Auslass- und Einlassventile werden auf die gleiche Weise wie beim Direkteinspritzungsmotor deaktiviert. Wird die Entscheidung getroffen, die Zündung wieder aufzunehmen, würde der Zündfunken wieder hergestellt. Auch in diesem Fall wäre das Auftreten eines schwachen Verbrennungsereignisses wahrscheinlich, und die Auslass- und dann die Einlassventile würden reaktiviert werden.A variant of an air spring is a fuel / air spring. For a PFI engine, intake and fuel injection would occur regularly, but the spark would be deactivated if a shutdown decision was made. In this scenario, the air spring would be more of a fuel / air spring, since the gas introduced in a PFI engine is an air / fuel mixture. In the absence of auto-ignition, the mass and pressure of the fuel-air mixture in the cylinder would in turn decrease over time, since mass and heat losses to the crankcase and the cylinder wall would still occur. Exhaust and intake valves are deactivated in the same way as for the direct injection engine. If the decision is made to restart the ignition, the ignition spark would be restored. In this case too, the occurrence of a weak one would be Combustion event likely and the exhaust and then the intake valves would be reactivated.
Bei einer weiteren Variante einer Luftfeder, Luftfeder mit Wieder-Einlass würden sowohl Direkteinspritzungsmotoren als auch PFI-Motoren zuerst die Kraftstoffeinspritzung unterbinden, wenn die Entscheidung zum Abschalten getroffen wurde. Ein Einlass würde nach wie vor regulär erfolgen, in Abwesenheit von Kraftstoff und möglicherweise Zündfunken würde jedoch keine Verbrennung auftreten. Der Auslass wäre deaktiviert und schließlich würde auch der Einlass deaktiviert, und der Motor würde in einem Luftfedermodus betrieben, bis die Entscheidung zum Reaktivieren getroffen wird. Sobald dies geschieht, besteht der erste Schritt darin, das Einlassventil mit Kraftstoffeinspritzung zu reaktivieren. Dies würde den Zylinder erneut mit einer Frischladung befüllen. Der Zündfunken würde aktiviert, falls erforderlich, und es würde eine reguläre Verbrennung auftreten. Schließlich würde das Auslassventil reaktiviert. Diese Strategie weist den Vorteil auf, dass die geringere Verbrennungsluftladung, die einer regulären Luftfeder zugeordnet ist, vermieden wird. Der Nachteil besteht darin, dass die Pumpschleife sehr groß sein kann, wenn die Anzahl abgeschalteter Zyklen gering ist.In a further variant of an air spring, air spring with re-inlet, both direct injection engines and PFI engines would first stop fuel injection if the decision to switch off was made. Admission would still be regular, but no combustion would occur in the absence of fuel and possibly ignition sparks. The outlet would be deactivated, and eventually the inlet would be deactivated, and the engine would operate in an air spring mode until the decision to reactivate is made. Once this happens, the first step is to reactivate the fuel injection intake valve. This would fill the cylinder again with a fresh charge. The spark would be activated if necessary and regular combustion would occur. Eventually, the exhaust valve would be reactivated. This strategy has the advantage that the lower combustion air charge associated with a regular air spring is avoided. The disadvantage is that the pumping loop can be very large if the number of cycles switched off is small.
Eine Luftfeder mit Wieder-Auslass-Verfahren unterscheidet sich von anderen Luftfeder-Verfahren dadurch, dass wenn die Entscheidung getroffen wird, das Abschalten zu beenden und das Zünden wieder aufzunehmen, zuerst das AuslassVentil, gefolgt von Einlass und Kraftstoffeinspritzung, reaktiviert werden. Wie Luftfedern mit Wieder-Einlass vermeidet dies die geringere Luftladung und das sich daraus ergebende schwache Verbrennungsereignis, das beim ersten reaktivierten Zyklus auftreten würde. Im Gegensatz zu Luftfedern mit Wieder-Einlass können Luftfedern mit Wieder-Auslass die große Pumpschleife vermeiden, wenn die Anzahl abgeschalteter Zyklen gering ist. Dieses Verfahren pumpt jedoch unverbrannte Luft in den Auslass. Wird nur ein Zyklus abgeschaltet, deaktiviert dieses Verfahren im Wesentlichen die Ventile niemals, und eine erhebliche Menge an Luft wird durch den Zylinder gepumpt, was die Auslassemissionen-Regelsysteme beeinträchtigen kann.An air spring with a re-outlet method differs from other air spring methods in that when the decision is made to end the shutdown and restart the ignition, the exhaust valve is reactivated first, followed by the inlet and fuel injection. Like re-inlet air springs, this avoids the lower air charge and the resulting weak combustion event that would occur on the first reactivated cycle. Unlike re-inlet air springs, re-outlet air springs can avoid the large pumping loop if the number of cycles disabled is small. However, this process pumps unburned air into the outlet. When only one cycle is turned off, this method essentially never deactivates the valves and a significant amount of air is pumped through the cylinder, which can affect the exhaust emissions control systems.
Das Drehmoment-Zeitverlaufprofil oder die entsprechenden Kurven der verschiedenen Arten von Gasfedern unterscheiden sich erheblich.
Die Luftladung, die einem Ansaugtakt nach einer abgeschalteten Zündungsgelegenheit zugeordnet ist, variiert mit der Art der Gasfeder, die dem Ansaugereignis voranging. Die Menge an Restladung während eines nachfolgenden Zyklus ist neben anderen Parametern eine Funktion dessen, ob Einlass- und Auslassventil gleichzeitig offen sind sowie der jeweiligen Zeitsteuerung. Zusätzlich variiert die relative Temperatur der Restladung auf Grundlage mehrerer Faktoren einschließlich der Zeitdauer, während der die Restladung in der Verbrennungskammer vorhanden ist und einer Leckage in den und aus dem Zylinder. Ferner unterscheiden sich Druckschwankungen im Einlass- und Auslass-Abgaskrümmer basierend darauf, wann und ob sich Einlass- und Auslassventile sowohl in einem vorgegebenen als auch in anderen Motorzylindern öffnen und schließen. Aus diesen und anderen Auswirkungen können Verbrennungsparameter wie eingespritzte Kraftstoffmenge und Zündpunkteinstellung angepasst werden, um einen Ausgleich zur Anpassung an die eingeleitete Luftladung herzustellen. Die eingespritzte Kraftstoffmenge kann geregelt werden, um ein stöchiometrisches oder nahezu stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitzustellen, das für einen effizienten Betrieb gewisser Schadstoffminderungsvorrichtungen wie einem Drei-Wege-Katalysator erforderlich ist. Die Zündpunkteinstellung kann angepasst werden, um das größtmögliche Bremsmoment aus der Luft-Kraftstoffladung zu erhalten, so dass die Kraftstoffausnutzung optimiert wird.The air charge associated with an intake stroke after an ignition opportunity is turned off varies with the type of gas spring that preceded the intake event. The amount of residual charge during a subsequent cycle is, among other parameters, a function of whether the intake and exhaust valves are open at the same time and the respective timing. In addition, the relative temperature of the residual charge varies based on several factors including the length of time that the residual charge is present in the combustion chamber and leakage in and out of the cylinder. Furthermore, pressure fluctuations in the intake and exhaust exhaust manifolds differ based on when and whether intake and exhaust valves open and close in both a given and other engine cylinders. From these and other effects, combustion parameters such as the amount of fuel injected and the ignition point adjustment can be adjusted in order to compensate for the adjustment to the introduced air charge. The amount of fuel injected can be controlled to provide a stoichiometric or near stoichiometric air-fuel ratio required for the efficient operation of certain pollution control devices such as a three-way catalyst. The ignition point setting can be adjusted in order to obtain the greatest possible braking torque from the air-fuel charge, so that the fuel efficiency is optimized.
Ein Kombinieren der Drehmomentkurven jedes Zylinders, die entsprechend der Zylinder-Zündreihenfolge korrekt aufeinander abgestimmt werden, führt zu einer zusammengefassten Drehmomentkurve. Abhängig von der Anzahl der Zylinder im Motor werden alle Zündungsgelegenheiten durch einen Nennbetrag an Kurbeldrehung voneinander getrennt. Beispielsweise treten bei einem 6-Zylinder-Motor aufeinander folgende Zündungsgelegenheiten in einem Motor mit identischem Abstand zwischen Zündungsereignissen nominell alle 120 ° auf. Bei einem 8-Zylinder-Motor mit identischen Abständen zwischen Zündungsgelegenheiten treten aufeinander folgende Zündungsereignisse nominell alle 90 ° auf. Bei einem 4-Zylinder-Motor mit identischen Abständen zwischen Zündungsgelegenheiten treten aufeinander folgende Zündungsereignisse nominell alle 180 ° auf. Diese Kurbelwinkel stellen lediglich Sollwerte dar, da die Zeitsteuerung der Zündfunkenfeuerung individuell oder in Kombination angepasst werden kann, um das Profil der sich ergebenden Drehmomentkurve zu ändern und die Kraftstoffausnutzung zu optimieren.Combining the torque curves of each cylinder, which are correctly matched to each other in accordance with the cylinder firing order, leads to a combined torque curve. Depending on the number of cylinders in the engine, all firing opportunities are separated by a nominal amount of crank rotation. For example, in a 6-cylinder engine, successive firing opportunities occur nominally every 120 ° in an engine with an identical distance between firing events. With an 8-cylinder engine with identical distances between Firing opportunities occur consecutive firing events nominally every 90 °. In a 4-cylinder engine with identical intervals between ignition opportunities, successive ignition events occur nominally every 180 °. These crank angles are only setpoints, since the spark control timing can be adjusted individually or in combination to change the profile of the resulting torque curve and to optimize fuel efficiency.
Als nächstes bezugnehmend auf
Die Motorregelung
Der Fire/Skip-Abfolgegenerator
Informationen hinsichtlich der Fire/Skip-Abfolge (oder allgemeiner hinsichtlich der Luftladungsfolge, wenn eine Zündung eine niedrige oder hohe Ausgangsleistung aufweisen kann) werden mittels der Signalleitung
Zusätzlich zur Fire/Skip-Regeleinheit
Neben der Beeinflussung des NVH-Pegels kann die Gasfederart zudem das Motordrehmoment und den Motor-Kraftstoffwirkungsgrad beeinflussen.
Während das Motorausgangsdrehmoment bei Luftfedern verglichen mit Gasfedern der Niederdruck-Auslassfederart bei der vorstehend aufgeführten Wieder-Einlass- und Wieder-Auslassstrategie generell geringer ist, ist das Kraftstoffwirkungsgradverhalten komplexer.
Die Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrads durch den Betrieb mit einer Luftfeder in gewissen Schwachlastzuständen ist in
Neben NVH und Kraftstoffwirkungsgrad kann die Auswahl der Gasfeder zudem Ölverbrauch und Emissionen beeinflussen. Liegt der Zylinderdruck unterhalb des Atmosphärendrucks besteht für Öl, das die Zylinderwände schmiert, die Tendenz, in den Zylinder gezogen zu werden. Dieses Öl ist dann beim nächsten Verbrennungsereignis vorhanden, wo es möglicherweise verdampft und unvollständig verbrannt wird. Das verdampfte Öl und seine Verbrennungsbestandteile strömen dann während des Auslasstakts in den Abgaskrümmer. Bleiben sie unbehandelt, können das Öl und die Verbrennungsbestandteile im Abgasstrom zu unerwünschten Emissionen in die Umwelt führen.In addition to NVH and fuel efficiency, the selection of the gas spring can also affect oil consumption and emissions. If the cylinder pressure is below atmospheric pressure, oil that lubricates the cylinder walls tends to be drawn into the cylinder. This oil is then present at the next combustion event, where it may evaporate and burn incompletely. The vaporized oil and its combustion components then flow into the exhaust manifold during the exhaust stroke. If left untreated, the oil and combustion components in the exhaust gas stream can lead to undesirable emissions into the environment.
Aufgrund des möglichen Öleintritts in den Zylinder kann es wünschenswert sein, eine verlängerte Verwendung einer Gasfeder vom Typ Niederdruck-Auslassfeder zu vermeiden, da diese Federart bei dem niedrigsten Zylinder-Innendruck arbeitet. Eine besondere Situation, in der Zylinder über verlängerte Zeitspannen deaktiviert werden können, ist während der Schub-Zylinderabschaltung (DCCO). Dieser Betriebsmodus kann bei Fahrbedingungen verwendet werden, in denen kein Motordrehmoment erforderlich ist, beispielsweise bei Freirollen, Abwärtsfahren oder Anhalten eines Fahrzeugs. Ein Schub-Zylinderabschaltungsereignis kann sich über viele Sekunden erstrecken, was zu vielen aufeinander folgenden abgeschalteten Zündungsgelegenheiten führt. Während der Schub-Zylinderabschaltung sind alle Zylinder des Motors deaktiviert, so dass alle Zündungsgelegenheiten abgeschaltet werden und die Zylinder nicht mit Kraftstoff versorgt werden. Dadurch wird keine oder nur wenig Luft durch den Motor gepumpt. Ein Schub-Zylinderabschaltungsbetrieb verbessert die Kraftstoffausnutzung und verringert die Anforderungen zum Ausbalancieren eines Katalysators, der Bestandteil eines Abgasreinigungssystems sein kann. Die Vorteile und die Verwendung des Schub-Zylinderabschaltungsbetriebs sind im US-
Wird kein Motordrehmoment angefordert, kann es wünschenswert sein, eine ausschließliche Verwendung einer Niederdruck-Auslassfeder zu vermeiden und stattdessen wenigstens einige Gasfedern von der Art Luftfeder oder Hochdruck-Auslassfeder während der Dauer der „Kein Drehmoment“-Anforderung zu verwenden. Beispielsweise können, um die Verwendung einer Feder der Art Niederdruck-Auslassfeder bei Schub-Zylinderabschaltung zu verringern, eine Feder der Art Luftfeder oder Hochdruck-Auslassfeder während wenigstens eines Arbeitszyklus der Aneinanderreihung abgeschalteter Arbeitszyklen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann ein Schub-Zylinderabschaltungsereignis damit beginnen, eine Niederdruck-Auslassfeder in jedem Zylinder zu verwenden, und dann nach einer gewissen Zeitspanne oder Anzahl abgeschalteter Arbeitszyklen zur Verwendung einer Luftfeder wechseln. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Schub-Zylinderabschaltungsereignis anfänglich bei wenigstens einigen Zylindern eine Hochdruck-Auslassfeder verwenden und dann zu einem Zeitpunkt im Schub-Zylinderabschaltungsereignis zu einer Luftfeder wechseln. Es ist davon auszugehen, dass im Allgemeinen die Länge eines Schub-Zylinderabschaltungsereignisses nicht bekannt ist, wenn das Schub-Zylinderabschaltungsereignis veranlasst wird, so dass manche Schub-Zylinderabschaltungsereignisse, beispielsweise längere Ereignisse, unterschiedliche Arten von Gasfedern verwenden können, während andere Schub-Zylinderabschaltungsereignisse wie kürzere Schub-Zylinderabschaltungsereignisse möglicherweise nur eine einzige Form von Gasfeder verwenden.If engine torque is not requested, it may be desirable to avoid using a low pressure exhaust spring only and instead use at least some air spring or high pressure exhaust spring for the duration of the "no torque" request. For example, in order to reduce the use of a spring of the low pressure exhaust spring type in the case of thrust cylinder deactivation, a spring of the air spring or high pressure exhaust spring type can be used during at least one working cycle of the series of switched off working cycles. In one embodiment, a thrust cylinder shutdown event may begin using a low pressure exhaust spring in each cylinder and then switch to using an air spring after a period of time or number of working cycles that have been shut off. In another embodiment, a push cylinder shutdown event may initially use a high pressure exhaust spring on at least some cylinders and then switch to an air spring at a time in the push cylinder shutdown event. It is believed that generally the length of a thrust cylinder shutdown event is not known when the thrust cylinder shutdown event is initiated, so that some thrust cylinder shutdown events, such as longer events, may use different types of gas springs, while other thrust cylinder shutdown events such as Shorter thrust cylinder shutdown events may use only one form of gas spring.
Der Übergang von einer Gasfederart zu einer anderen Gasfederart innerhalb der Aneinanderreihung abgeschalteter Zündungsgelegenheiten umfasst im Allgemeinen das Öffnen eines Einlass- oder Auslassventils zum angemessenen Zeitpunkt während eines Arbeitszyklus. Eine Hochdruck-Auslassfeder wird stets ein Verbrennungsereignis erfordern, um unter Hochdruck stehende Abgase zu erzeugen. Solange das Einlass- oder Auslassventil nach einer Verbrennung geschlossen bleibt, verbleibt eine Hochdruck-Auslassfeder im Zylinder (unabhängig von Massen- und Wärmeverlusten, die selbstverständlich auftreten). Ein Übergang von einer Hochdruck-Auslassfeder zu einer Luftfeder kann nach einer gewünschten Anzahl an Hochdruck-Auslassfeder-Arbeitszyklen erfolgen, indem zuerst das Auslassventil während eines Takts und dann das Einlassventil während eines Takts geöffnet werden. Ein Ausleitungsprozess erfolgt, und eine Luftfeder mit Frischluftladung ist im Zylinder vorhanden. Um eine Verbrennung zu verhindern, müssen Kraftstoffeinspritzung und/oder Zündfunken deaktiviert werden. Ein Übergang von einer Hochdruck-Auslassfeder zu einer Niederdruck-Auslassfeder nach einer gewünschten Anzahl an Hochdruck-Auslassfeder-Arbeitszyklen kann erfolgen, indem das Auslassventil während eines Takts geöffnet wird. Die meisten der Abgasreste werden aus dem Zylinder entleert, es wird jedoch keine neue Ladung eingeleitet, da das Einlassventil geschlossen bleibt. Der Zylinder kann mit einer Gasfeder vom Typ Niederdruck-Auslassfeder so lange wie gewünscht betrieben werden. Es ist wenigstens ein Verbrennungsereignis erforderlich, um von einer Gasfeder der Art Luftfeder oder Niederdruck-Auslassfeder zu einer Hochdruck-Auslassfeder zurückzukehren.The transition from one type of gas spring to another type of gas spring within the series of deactivated ignition opportunities generally involves opening an intake or exhaust valve at the appropriate time during a work cycle. A high pressure exhaust spring will always require a combustion event to produce high pressure exhaust gases. As long as the intake or exhaust valve remains closed after combustion, a high-pressure exhaust spring remains in the cylinder (regardless of the loss of mass and heat, which naturally occurs). A transition from a high pressure exhaust spring to an air spring can occur after a desired number of high pressure exhaust spring work cycles by first opening the exhaust valve during a stroke and then opening the intake valve during a stroke. A rejection process takes place and an air spring with fresh air charge is present in the cylinder. To prevent combustion, fuel injection and / or ignition sparks must be deactivated. A transition from a high pressure exhaust spring to a low pressure exhaust spring after a desired number of high pressure exhaust spring work cycles can be accomplished by opening the exhaust valve during one stroke. Most of the exhaust gas residues are emptied out of the cylinder, but no new charge is introduced since the intake valve remains closed. The cylinder can be operated as long as desired with a low pressure exhaust spring type gas spring. At least one combustion event is required to return from a gas spring of the air spring or low pressure exhaust spring type to a high pressure exhaust spring.
Übergänge zwischen Gasfedern der Art Luftfeder und Niederdruck-Auslassfeder können so oft erfolgen wie gewünscht, diese Wechsel sind jedoch mit einem gewissen Pumpaufwand verbunden. Für den Übergang von einer Niederdruck-Auslassfeder zu einer Luftfeder wird das Einlassventil während eines Takts am oder in der Nähe des oberen Totpunkts deaktiviert, um eine Frischluftladung einzuleiten. Der Luftfederbetrieb kann so lange wie gewünscht aufrechterhalten werden, indem Kraftstoffeinspritzung und/oder Zündfunken deaktiviert werden. Für den Übergang von einer Luftfeder zu einer Niederdruck-Auslassfeder wird das Auslassventil während eines Takts am oder in der Nähe des unteren Totpunkts eines Ausdehnungstakts reaktiviert. Dies entleert Zylindergase, die vorwiegend Luft in einer Luftfeder sind, in das Abgassystem. Das Einlassventil bleibt geschlossen, und der Zylinder wird nun so lange wie gewünscht mit einer Niederdruck-Auslassfeder betrieben.Transitions between gas springs of the air spring type and low-pressure outlet spring can take place as often as desired, but these changes involve a certain amount of pumping. For the transition from a low pressure exhaust spring to an air spring, the intake valve is deactivated during a stroke at or near top dead center in order to initiate a fresh air charge. Air spring operation can be maintained as long as desired by deactivating fuel injection and / or ignition sparks. To transition from an air spring to a low pressure exhaust spring, the exhaust valve is reactivated during a stroke at or near bottom dead center of an expansion stroke. This empties cylinder gases, which are mainly air in an air spring, into the exhaust system. The intake valve remains closed and the cylinder is now operated with a low pressure exhaust spring for as long as desired.
In gewissen Fahrsituationen kann es wünschenswert sein, für abgeschaltete Zylinder eine Gasfeder der Art Hochdruck-Auslassfeder zu verwenden. Ist beispielsweise ein Betrieb mit einem festgelegten Satz an aktivierten und deaktivierten Zylindern während einer verlängerten Zeitspanne zu erwarten, kann an den abgeschalteten Zylindern eine Hochdruck-Auslassfeder verwendet werden. Eine im Wesentlichen gleichbleibende Drehmomentanforderung kann während einer langen Dauer erwartet werden; beispielsweise während Fahren mit gleicher Geschwindigkeit auf einer ebenen, offenen Straße mit einem Zündungsanteil, dessen Nenner ein Faktor der Anzahl an Motorzylindern ist; beispielsweise ½ bei 4-, 6- oder 8-Zylindermotoren, 1/3, ½, 2/3 bei 6-Zylindermotoren etc. Da die Hochdruck-Auslassfeder über eine erweiterte Anzahl an Arbeitszyklen zu erwarten ist, werden Pumpverluste, die mit einem Entleeren der Hochdruck-Auslassfeder zusammenhängen, gering sein. Die Verwendung einer Gasfeder der Art Hochdruck-Auslassfeder verringert die Möglichkeit von Öleintritt in die abgeschalteten Zylinder und mögliche Abgasemissionsprobleme.In certain driving situations, it may be desirable to use a gas spring of the high pressure exhaust spring type for deactivated cylinders. For example, is an operation with a To expect a set set of activated and deactivated cylinders during an extended period of time, a high pressure exhaust spring can be used on the deactivated cylinders. A substantially constant torque request can be expected over a long period; for example while driving at the same speed on a flat, open road with an ignition component, the denominator of which is a factor of the number of engine cylinders; For example, ½ for 4-, 6- or 8-cylinder engines, 1/3, ½, 2/3 for 6-cylinder engines etc. Since the high-pressure outlet spring is to be expected over an extended number of working cycles, there are pumping losses that result from draining the high pressure outlet spring, be small. The use of a high pressure exhaust spring type gas spring reduces the possibility of oil entering the deactivated cylinders and possible exhaust emission problems.
Vorteilhafterweise kann eine dynamische Regelung der Gasfederart bei Fahrzeugen mit autonomer Fahrzeugsteuerung wie in den US-
In der Praxis können die Motorregelung
Diese Art der Regelung ist unter Verwendung von nockenbetätigten Ventilen mit „Leerlauf“-Deaktivierung möglich. Die Ventilregelung kann so ausgelegt sein, dass ein einzelner Elektromagnet sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil aktiviert/deaktiviert oder dass das Einlassventil und das Auslassventil voneinander unabhängige Aktivierungs-/Deaktivierungs-Elektromagneten aufweisen. Wie in der gleichzeitig anhängigen US-
Viele Regelstrategien können verwendet werden, um ein angemessenes Skip-Fire- und Gasfeder-Muster festzulegen, das die angeforderte Motorleistung bereitstellt, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch minimiert wird und ein annehmbarer NVH-Pegel bereitgestellt wird. So kann beispielsweise eine kurzfristige optimale Regelung, auch bekannt als modellbasierte prädiktive Regelung (model predictive control (MPC)) oder Abfallender Horizont-Regelung (receding horizon control RHC) verwendet werden. Dabei kann sich kurzfristig auf die Optimierung der Federart während der Reihe der Zündungsentscheidungen, die getroffen, aber noch nicht umgesetzt wurden, beziehen. Diese können im Bereich von 4 bis 12 Zündungsgelegenheiten liegen, können jedoch auch mehr oder weniger umfassen. Da diese Entscheidungen bekannt sind, ehe sie umgesetzt werden, können Drehmomentausgangsleistung, Kraftstoffverbrauch und NVH-Pegel, die Fire/Skip-Folgen und den entsprechenden Folgen von Gasfederarten zugeordnet sind, berechnet werden. Der Fire/Skip-Abfolgegenerator kann die Eigenschaften, die einer jeweiligen Abfolge zugeordnet sind, vergleichen und auf Grundlage von Optimierungskriterien die beste Abfolge auswählen. Ferner können Vorhersagen zu Drehmomentanforderung und entsprechenden Zündungsentscheidungen über diesen Horizont hinaus in das zu lösende Optimierungsproblem integriert werden.Many control strategies can be used to establish an appropriate skip fire and gas spring pattern that will provide the required engine power while minimizing fuel consumption and providing an acceptable NVH level. For example, a short-term optimal control, also known as model-based predictive control (MPC) or decreasing horizon control (receding horizon control RHC) can be used. This can refer to the optimization of the spring type during the series of ignition decisions that have been made but have not yet been implemented. These can range from 4 to 12 ignition opportunities, but can also include more or less. Because these decisions are known before they are implemented, torque output, fuel consumption, and NVH levels associated with fire / skip sequences and the corresponding sequences of gas spring types can be calculated. The fire / skip sequence generator can compare the properties associated with each sequence and based on Select the best sequence for optimization criteria. Furthermore, predictions regarding torque requests and corresponding ignition decisions beyond this horizon can be integrated into the optimization problem to be solved.
Die modellbasierte prädiktive Regelung stellt eine Variante einer optimalen Regelung dar, bei der ein vereinfachtes mathematisches Optimierungsproblem wiederholt gelöst wird, während das System in Betrieb ist, wobei jedes Mal die aktuellsten Sensorinformationen vom System verwendet werden, um der Tatsache entgegenzuwirken, dass das Optimierungsproblem oft stark vereinfacht ist und sich der mathematischen Formulierung zum Finden der „besten“ Fire/Skip-Abfolge und/oder Abschaltung-Federart somit nur annähern kann. Diese kombinierte Optimierungsformulierung ermöglicht das Erzeugen der angeforderten Motorleistung, während gleichzeitig die Kraftstoffausnutzung maximiert und ein annehmbarer NVH-Pegel aufrechterhalten werden.Model-based predictive control is a variant of optimal control that repeatedly solves a simplified mathematical optimization problem while the system is operating, using the most up-to-date sensor information from the system each time to counteract the fact that the optimization problem is often severe is simplified and can only approximate the mathematical formulation for finding the "best" fire / skip sequence and / or shutdown spring type. This combined optimization formulation enables the requested engine power to be generated while maximizing fuel economy and maintaining an acceptable NVH level.
Im Allgemeinen ist die Optimierung ein abschätzender Berechnungsvorgang, bei dem nicht gewährleistet ist, dass er zu einer festen Anzahl an Wiederholungen zusammenläuft. Um diese Situation in der Echtzeitumsetzung zu unterstützen, kann ein kurzfristiger Optimierungsalgorithmus, der eine kurzfristige Optimierungsregelung umsetzt, stark vereinfacht sein. Da die Optimierung im Verlauf der Zeit wiederholt gelöst wird, werden Fehler in den Lösungen, die für die vereinfachten Optimierungsprobleme bezogen auf die ursprünglichen komplexeren Optimierungsprobleme erhalten wurden, aktuelle Messungen von Motorparametern verwenden, wenn die Vereinfachungen entsprechend ausgewählt wurden. Die Verwendung aktueller Parameter kann als eine Art Rückkopplungsregelung betrachtet werden, um die Lösung in der Richtung der ursprünglichen Optimierungskriterien zu korrigieren. Ein Alternativverfahren zum Verringern des Rechenaufwands bei Echtzeitoptimierung besteht darin, Berechnungen im Voraus vorzunehmen und Teile des Optimierungsproblems tabellarisch anzuordnen. Das Nettoergebnis ist ein Ausgleich von Rechenaufwand durch Speicheraufwand, was bei gewissen elektronischen Regeleinheiten vorteilhaft sein kann.In general, optimization is an estimation process that does not guarantee that it will converge to a fixed number of iterations. To support this situation in real-time implementation, a short-term optimization algorithm that implements a short-term optimization control can be greatly simplified. Since the optimization is resolved repeatedly over time, errors in the solutions obtained for the simplified optimization problems related to the original, more complex optimization problems will use current measurements of engine parameters if the simplifications have been selected accordingly. The use of current parameters can be seen as a kind of feedback control in order to correct the solution in the direction of the original optimization criteria. An alternative method for reducing the computational effort in real-time optimization is to carry out calculations in advance and to arrange parts of the optimization problem in a table. The net result is a computation of computational effort by memory effort, which can be advantageous with certain electronic control units.
Es ist zudem davon auszugehen, dass alle der hierin beschriebenen Vorgänge in einem geeigneten computerlesbaren Medium in Form von ausführbarem Computercode gespeichert werden können. Die Vorgänge werden durchgeführt, wenn ein Prozessor den Computercode ausführt. Der Computercode kann in einer Motorregelung integriert sein, die das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile koordiniert.It is also believed that all of the operations described herein can be stored in a suitable computer readable medium in the form of executable computer code. The operations are performed when a processor executes the computer code. The computer code can be integrated in an engine control system that coordinates the opening and closing of the intake and exhaust valves.
Die Erfindung wird hierin in erster Linie im Kontext Benzin-getriebener Viertakt-Kolbenmotoren beschrieben, die für eine Verwendung in Motorfahrzeugen geeignet sind. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen auch für eine Verwendung in vielen unterschiedlichen Verbrennungsmotoren geeignet sind. Diese schließen Motoren für nahezu jede Art von Fahrzeug einschließlich Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Booten, Luftfahrzeuge, Motorräder, Motorroller etc. und nahezu jegliche andere Anwendung, die das Zünden von Arbeitskammern beinhaltet und einen Verbrennungsmotor einsetzt, ein. Die verschiedenen beschriebenen Ansätze funktionieren für Motoren, die mit verschiedensten unterschiedlichen thermodynamischen Zyklen arbeiten, einschließlich nahezu jeder Art von Dieselmotoren, Ottomotoren, Doppelzyklusmotoren, Miller-Zyklusmotoren, Atkinson-Zyklusmotoren, Wankelmotoren und anderen Arten von Rotationsmotoren, Mix-Zyklusmotoren (wie Dual-Otto- und -Dieselmotoren), Hybridmotoren, Sternmotoren etc. Es wird des Weiteren angenommen, dass die beschriebenen Ansätze mit neu entwickelten Verbrennungsmotoren unabhängig davon, ob sie unter Nutzung gegenwärtig bekannter oder später entwickelter thermodynamischer Zyklen betrieben werden, gut funktionieren werden.The invention is primarily described herein in the context of gasoline powered four stroke piston engines suitable for use in motor vehicles. However, it can be assumed that the methods and devices described are also suitable for use in many different internal combustion engines. These include engines for almost any type of vehicle, including automobiles, trucks, boats, aircraft, motorcycles, scooters, etc., and almost any other application involving working chamber ignition and employing an internal combustion engine. The various approaches described work for engines that operate with a wide variety of different thermodynamic cycles, including almost any type of diesel engine, gasoline engine, double cycle engine, Miller cycle engine, Atkinson cycle engine, Wankel engine, and other types of rotary engines, mix cycle engines (such as dual Otto) and diesel engines), hybrid engines, radial engines etc. It is further assumed that the approaches described will work well with newly developed internal combustion engines regardless of whether they are operated using currently known or later developed thermodynamic cycles.
Obgleich nur einige wenige Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben sind, versteht sich, dass die Erfindung in vielen anderen Formen implementiert werden kann, ohne von dem Wesen oder dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Regelstrategien mit einem vollständig flexiblen Ventilzug umgesetzt werden, der bei der Ventilereignis-Zeitsteuerung nicht von einer Nockenwelle abhängig ist. Einige der hierin beschriebenen Strategien können zudem bei Abwesenheit einer Einspritzungs- und Zündungsregelung, beispielsweise bei einer homogenen Kompressionszündung (HCCI) oder ähnlichen Verdichtungs- oder Zündungsgestützten Verbrennungsmotoren, die vorgemischte oder nicht vorgemischte Luft/Kraftstoff-Ladungen nutzen, eingesetzt werden. Die Fire/Skip-Abfolge kann zudem in manchen Fällen Informationen enthalten, ob eine Zündung zu entweder einer hohen oder einer niedrigen Ausgangsleistung führt. Somit kann die Abfolge eine Abfolge von Hochleistungszündungen, Niedrigleistungszündungen und Abschaltungen sein. Während die Erfindung allgemein als ein Einlass- und Auslassventil zur Regelung von Ansaugung in und Ausleitung aus einem Zylinder verwendend beschrieben ist, kann ein Zylinder mehrere Einlass- und/oder Auslassventile aufweisen, und die Regelstrategien können deren Bewegung gemeinsam steuern. Somit sind die vorliegenden Ausführungsformen als beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten und die Erfindung ist nicht auf die hier bereitgestellten Einzelheiten zu beschränken.While only a few embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that the invention can be implemented in many other forms without departing from the spirit or scope of the invention. For example, the control strategies described herein can be implemented with a fully flexible valve train that is not dependent on a camshaft in valve event timing. Some of the strategies described herein can also be used in the absence of injection and ignition control, such as homogeneous compression ignition (HCCI) or similar compression or ignition-assisted combustion engines that use premixed or unmixed air / fuel charges. The fire / skip sequence may also contain information in some cases as to whether firing results in either high or low output. Thus, the sequence can be a sequence of high power ignitions, low power ignitions and shutdowns. While the invention is generally described as using an intake and exhaust valve to control intake and exhaust from a cylinder, a cylinder may have multiple intake and / or exhaust valves, and the control strategies may control their movement together. Thus, the present embodiments are to be considered exemplary and not restrictive, and the invention is not to be limited to the details provided here.
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