DE112019004367T5

DE112019004367T5 - Geteilte Direkteinspritzung für reaktivierte Zylinder einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112019004367T5
Application number: DE112019004367.6T
Authority: DE
Inventors: Xi Luo; Jerry F. FUSCHETTO; Xin Yuan; Matthew A. Younkins
Original assignee: Tula Technology Inc
Current assignee: Tula Technology Inc
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-05-12
Also published as: US20200072152A1; US10982617B2; CN112639272A; WO2020046694A1; JP2021536544A

Abstract

Ein Fahrzeug, eine Kraftmaschinensteuerung und ein Verfahren zum Koordinieren einer geteilten Direkteinspritzung von zwei oder mehr Kraftstoffimpulsen während eines Arbeitszyklus eines reaktivierten Zylinders, der in einem vorhergehenden Arbeitszyklus deaktiviert wurde, werden beschrieben. Durch die Verwendung der geteilten Einspritzung für den reaktivierten Zylinder wird die vom reaktivierten Zylinder erzeugte Partikelmasse und Partikelanzahl („PM/PN“) reduziert.

Description

KREUZVERWEISUNG AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht Priorität vor der vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 62/724,153 mit dem Titel „Particulate Matter and Number Reduction Using Split Injection With Cylinder Deactivation“, eingereicht am 29. August 2018, deren gesamter Inhalt durch diesen Verweis als für alle Zwecke in dieses Patent aufgenommen gilt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Betrieb einer Brennkraftmaschine und insbesondere die Reduzierung von Partikelmasse- und Partikelanzahl (Particulate Matter/Particulate Number, „PM/PN“)-Emissionen durch direkte Einspritzung von zwei oder mehr relativ kleinen Kraftstoffimpulsen, im Gegensatz zu einem größeren Kraftstoffimpuls, während eines Arbeitszyklus eines reaktivierten Zylinders, der während eines oder mehrerer unmittelbar vorhergehender Arbeitszyklen deaktiviert wurde.
Die meisten Fahrzeuge, die heute in Betrieb sind, werden von Brennkraftmaschinen angetrieben. Brennkraftmaschinen weisen einen oder mehrere Zylinder auf, in denen Verbrennung stattfindet. Unter normalen Fahrbedingungen muss das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment über einen großen Betriebsbereich variieren, um den Anforderungen des Fahrers und den Fahrbedingungen gerecht zu werden.
Die Kraftstoffwirtschaftlichkeit vieler Brennkraftmaschinentypen kann durch dynamisches Variieren des Hubraums der Kraftmaschine wesentlich verbessert werden. Mit dynamischem Hubraum kann die Kraftmaschine bei Bedarf den vollen Hubraum erzeugen, aber auch mit einem kleineren Hubraum arbeiten, wenn nicht das volle Drehmoment benötigt wird, was typischerweise zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt.
Das gängigste Verfahren zum Variieren des Hubraums ist die Deaktivierung einer oder mehrerer Zylindergruppen. Bei einer Acht-Zylinder-Kraftmaschine können beispielsweise Gruppen von zwei, vier oder sechs Zylindern je nach Bedarf selektiv deaktiviert werden, um wechselnde Drehmomentanforderungen zu erfüllen. Bei diesem Ansatz wird den deaktivierten Zylindern kein Kraftstoff zugeführt und sind die zugehörigen Ansaug- und Abgasventile geschlossen, um Pumpverluste zu vermeiden. Die Deaktivierung von Zylindern führt somit zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit, während die verbleibenden aktiven Zylinder die benötigte Leistung zur Erfüllung der aktuellen Drehmomentanforderung erzeugen.
Die meisten modernen Brennkraftmaschinen, insbesondere solche, die in Fahrzeugen wie Autos und Lastwagen eingesetzt werden, verwenden eine Kraftstoffeinspritzung für die Zufuhr von Kraftstoff zu den Zylindern. Zwei Arten von Kraftstoffeinspritzsystemen sind gängig: indirekte Einspritzung und Direkteinspritzung.
Bei der indirekten Einspritzung wird der Kraftstoff in das Ansaugrohr zwischen dem Ansaugkrümmer und dem Zylinder eingespritzt, wo er sich mit Luft vermischt und ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird dann während des Ansaughubs in den Zylinder angesaugt, sobald das Ansaugventil geöffnet wird und der Kolben sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) bewegt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch ansaugt.
Bei der Direkteinspritzung wird Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt. Im Allgemeinen bietet die Direkteinspritzung eine höhere Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine höhere Leistungsabgabe, da Menge und Zeitpunkt der Zuführung von Kraftstoff in den Zylinder im Vergleich zur indirekten Einspritzung genauer gesteuert werden können.
Die geteilte Einspritzung ist eine bekannte Abwandlung der Direkteinspritzung. Bei der geteilten Einspritzung werden während eines bestimmten Arbeitszyklus zwei oder möglicherweise mehr Kraftstoffimpulse direkt in einen Zylinder eingespritzt. Die geteilte Einspritzung wird typischerweise eingesetzt, um die Emissionen während eines Kaltstarts zu reduzieren und das Klopfen bei hohen Lasten zu vermindern. Die geteilte Einspritzung wird derzeit bei konventionellen Brennkraftmaschinen verwendet, bei denen alle Zylinder gezündet werden. Nach Kenntnis der Anmelder wird die geteilte Einspritzung nicht bei Brennkraftmaschinen verwendet, bei denen nicht alle Zündgelegenheiten zu einer Zündung des Zylinders führen, d. h. der Zylinder wird abgeschaltet oder deaktiviert und nicht gezündet. Zu solchen Kraftmaschinentypen gehören Kraftmaschinen mit variablem Hubraum, bei denen eine oder mehrere feste Gruppen von Zylindern deaktiviert werden, oder Kraftmaschinen mit Zylinderabschaltsteuerung, bei denen wenigstens einige der Zylinder der Kraftmaschine in Reaktion auf die Drehmomentanforderung der Kraftmaschine bei einer bestimmten Zündgelegenheit deaktiviert oder gezündet werden können.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Fahrzeug, eine Kraftmaschinensteuerung und ein Verfahren zum Koordinieren einer geteilten Einspritzung von zwei oder mehr Kraftstoffimpulsen in einen Zylinder während eines Arbeitszyklus eines reaktivierten Zylinders, der in einem vorhergehenden Arbeitszyklus deaktiviert wurde. Durch die Verwendung der geteilten Einspritzung für den reaktivierten Zylinder wird die von dem reaktivierten Zylinder erzeugte PM/PN reduziert.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Entscheidung, die zwei oder mehr Kraftstoffimpulse während des aktiven Arbeitszyklus des reaktivierten Zylinders direkt einzuspritzen, basierend auf einem der folgenden getroffen:

(a) der Zündhistorie des Zylinders. Jedes Mal, wenn ein Zylinder abgeschaltet wird, kühlt er ab. Durch Verwendung eines Vorhersagealgorithmus kann die Betriebstemperatur eines Zylinders mit einer sehr hohen Genauigkeit bestimmt werden, indem die Anzahl der Zündungen oder Abschaltungen des Zylinders im Verlauf einer vorbestimmten Anzahl von vorhergehenden Arbeitszyklen berücksichtigt wird. Wenn die bestimmte Temperatur eines Zylinders unter einem Schwellenwert liegt, kann eine Entscheidung für die Verwendung der geteilten Einspritzung getroffen werden. Wenn die bestimmte Temperatur über dem Schwellenwert liegt, wird die Einzelimpulseinspritzung verwendet;
(b) einer Messung der tatsächlichen Temperatur des Zylinders mit einem Temperatursensor und Treffen der Entscheidung, entweder die einfache oder die geteilte Direkteinspritzung zu verwenden, je nachdem, ob die gemessene Temperatur über oder unter dem Schwellenwert liegt; oder
(c) einer Kombination von (a) und (b).

In noch weiteren Ausführungsformen können das Fahrzeug, die Kraftmaschinensteuerung und das Verfahren mit jeder Art von Brennkraftmaschine verwendet werden, bei der eine Zündgelegenheit abgeschaltet oder deaktiviert wird. Beispiele hierfür können sein, sind aber nicht beschränkt auf:

(a) Brennkraftmaschinen, bei denen eine Gruppe von einem oder mehreren Zylindern deaktiviert wird, um wechselnde Drehmomentanforderungen zu erfüllen;
(b) Brennkraftmaschinen mit dynamisch gesteuerter Zylinderabschaltung, bei denen die Entscheidung, ob der einzelne Zylinder gezündet oder abgeschaltet wird, je nach Zündgelegenheit getroffen wird; und/oder
(c) Brennkraftmaschinen mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung, wobei die Leistung der gezündeten Zylinder aus einer von mehreren verschiedenen Leistungsstufen ausgewählt wird.

In noch weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Steuern der direkten Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine beschrieben. Ein Zylinder der Kraftmaschine arbeitet derart, dass der Zylinder in einigen Arbeitszyklen abgeschaltet und in anderen Arbeitszyklen gezündet wird. Bei den Arbeitszyklen mit Zündung wird bei einer ersten Untergruppe ein erstes Kraftstoffeinspritzmuster zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder verwendet und wird bei einer zweiten Untergruppe ein zweites Kraftstoffeinspritzmuster verwendet. Das erste Kraftstoffeinspritzmuster kann weniger Kraftstoffimpulse als das zweite Einspritzmuster aufweisen.
Figurenliste
Die Erfindung und ihre Vorteile können am besten verstanden werden bei Hinzuziehung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gilt:

1 ist ein Logikdiagramm einer Kraftmaschinensteuerung, einer Brennkraftmaschine und eines Abgassystems eines beispielhaften Fahrzeugs gemäß einer nicht-ausschließenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen beispielhaften Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3A zeigt einen Arbeitszyklus eines Zylinders.
3B-3E zeigen die direkte Einspritzung von zwei oder mehr Kraftstoffimpulsen während eines bestimmten Arbeitszyklus des Zylinders gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4A-4B zeigen verschiedene Beispiele für einen oder mehrere direkt eingespritzte(n) Kraftstoffimpuls(e) während eines Arbeitszyklus gemäß verschiedener nicht ausschließender Ausführungsformen der Erfindung.
5 zeigt ein Flussdiagramm von Schritten zum Umschalten eines Zylinderbetriebs zwischen Mehrimpuls- und Einzelimpuls-Direkteinspritzung gemäß einer nicht ausschließenden Ausführungsform der Erfindung.
6 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Zylinderlast für verschiedene Zündungsdichten bei einfacher Kraftstoffeinspritzung.
7 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Kraftmaschinenlast für dieselben Zündungsdichten wie in 6 gezeigt.
8 ist ein Diagramm des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (Brake Specific Fuel Consumption, BSFC) bezogen auf die Kraftmaschinenlast für dieselben Zündungsdichten wie in 7 angegeben.
9 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Kraftmaschinenlast für verschiedene Zündungsdichten mit rotierendem Zündungsmuster und mehreren aufeinanderfolgenden Zylinderabschaltungen bei einfacher Kraftstoffeinspritzung.
10 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Kraftmaschinenlast für dieselben Zündungsdichten wie in 9 gezeigt bei geteilter Kraftstoffeinspritzung.
11 ist ein Diagramm des BSFC bezogen auf die Kraftmaschinenlast für mehrere Zündungsdichten, teils mit geteilter Einspritzung und teils mit einfacher Einspritzung.
12 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf den BSFC für verschiedene Zündungsdichten unter gleichbleibender Kraftmaschinenlast.
13 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Zeit eines Übergangs einer Zündungsdichte von 1 auf 2/3 und zurück auf 1 bei einfacher Einspritzung.
14 ist ein Diagramm der Partikelemissionen bezogen auf die Zeit eines Übergangs einer Zündungsdichte von 1 auf 1/2 und zurück zu 1 bei Einzelimpulseinspritzung, Zweifachimpulseinspritzung und Dreifachimpulseinspritzung.

In den Zeichnungen werden manchmal gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche strukturelle Elemente zu bezeichnen. Es ist außerdem zu beachten, dass die Darstellungen in den Zeichnungen schematisch und nicht maßstabsgetreu sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft die selektive geteilte Direkteinspritzung von zwei oder mehr Kraftstoffimpulsen in einen aktiven Arbeitszyklus eines reaktivierten Zylinders, der während eines oder mehrerer unmittelbar vorhergehender Arbeitszyklen deaktiviert wurde. Die vorliegende Patentanmeldung ist somit für jede Brennkraftmaschine geeignet, bei der Zylinder selektiv deaktiviert werden.
Dynamische Zylinderabschaltung (Dynamic Skip Fire, DSF)
Die DSF-Kraftmaschinensteuerung hat das selektive Abschalten der Zündung bestimmter Zylinder während ausgewählter Zündgelegenheiten zum Gegenstand. Dies hat zur Folge, dass bei einem gegebenen effektiv reduzierten Hubraum ein bestimmter Zylinder gezündet, abgeschaltet und dann in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen entweder gezündet oder abgeschaltet werden kann. Aus der Sicht eines Kraftmaschinenzyklus können aufeinanderfolgende Kraftmaschinenzyklen beinhalten, dass verschiedene Zylinder gezündet und abgeschaltet werden, während die Kraftmaschine mit demselben Zündungsanteil bzw. derselben Zündungsdichte arbeitet. Im Gegensatz dazu wird bei der Steuerung der Kraftmaschine mit variablem Hubraum eine Gruppe von Zylindern kontinuierlich gezündet, während eine andere Gruppe von Zylindern kontinuierlich abgeschaltet ist, bei einem gegebenen reduzierten effektiven Hubraum.
Die DSF-Kraftmaschinensteuerung ermöglicht eine wesentlich feinere Steuerung des effektiven Hubraums einer Kraftmaschine, als dies mit einem konventionellen Ansatz eines variablen Hubraums möglich ist. Bei DSF würde beispielsweise die Zündung jedes dritten Zylinders in einer 4-Zylinder-Kraftmaschine einen effektiven Hubraum von 1/3 des vollen Hubraums der Kraftmaschine ergeben. In derselben 4-Zylinder-Kraftmaschine ist derselbe effektive 1/3-Hubraum nicht durch einfaches Deaktivieren einer Gruppe von ein oder mehreren Zylindern zu erreichen.
Konzeptionell kann mit der DSF-Steuerung praktisch jeder effektive Hubraum erreicht werden, obwohl in den meisten praktischen Implementierungen der Betrieb auf einen festen Satz von verfügbaren Zündungsdichten, -folgen oder -mustern beschränkt ist. In bestimmten Implementierungen der DSF werden Zündungsentscheidungen darüber, ob ein bestimmter Zylinder während eines bestimmten Arbeitszyklus abgeschaltet oder gezündet werden soll, in Echtzeit getroffen. Das heißt, die Entscheidung wird oft unmittelbar vor Beginn des Arbeitszyklus und oft basierend auf jeder einzelnen Zündgelegenheit eines einzelnen Zylinders getroffen.
DSF-Implementierungen, die sich auf einen definierten Satz von Zündungsmustern oder Zündungsdichten stützen, weisen jeweils einen entsprechenden effektiven Kraftmaschinen-Hubraum auf. Der Satz von Zündungsmustern/-dichten, der für eine bestimmte Brennkraftmaschine verwendet werden kann, kann stark variieren, von einer begrenzten Anzahl (z. B. einigen wenigen Anteilen, z. B. 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 und 1) bis hin zu solchen, die deutlich mehr verwenden. Als Beispiel für letzteres ermöglichen einige von der Anmelderin entwickelte Zylinderabschaltsteuerungen den Betrieb bei einer beliebigen Zündungsdichte mit einem Zündungsanteil zwischen null (0) und eins (1) mit einem ganzzahligen Nenner von neun (9) oder weniger. Eine solche Steuerung hat einen Satz von 29 potenziellen Zündungsanteilen, nämlich: 0, 1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 2/9, 1/4, 2/7, 1/3, 3/8, 2/5, 3/7, 4/9, 1/2, 5/9, 4/7, 3/5, 5/8, 2/3, 5/7, 3/4, 7/9, 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, 8/9 und 1.
Obwohl 29 potentielle Zündungsanteile möglich sind, sind nicht alle Zündungsanteile unter allen Umständen zur Verwendung geeignet. Vielmehr kann es zu jedem Zeitpunkt eine sehr viel begrenztere Teilmenge von Zündungsanteilen geben, die in der Lage sind, das gewünschte Kraftmaschinen-Drehmoment zu liefern und gleichzeitig geeignete Beschränkungen bezüglich Fahrverhalten und Geräusch, Vibration und Rauheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH) zu erfüllen.
Die Anmelderin hat eine Reihe von Patenten eingereicht, die verschiedene Ansätze zur Steuerung der Zylinderabschaltung beschreiben. Beispielsweise beschreiben die US-Patente Nr. 7,849,835 ; 7,886,715 ; 7,934,474 ; 8,099,224 ; 8,131,445 ; 8,131,447 ; 8,464,690 ; 8,616,181 ; 8,651,091 ; 8,839,766 ; 8,869,773 ; 9,020,735: 9,086,020; 9,120,478; 9,175,613; 9,200,575; 9,200,587; 9,291,106; 9,399,964 und andere eine Vielzahl von verschiedenen Kraftmaschinensteuerungen, die den Betrieb einer breiten Palette von Brennkraftmaschinen in einem Betriebsmodus mit Zylinderabschaltung ermöglichen. Jedes dieser Patente gilt durch Verweis als für alle Zwecke hierin aufgenommen.
Dynamische Mehrstufen-Zylinderabschaltung (Dynamic Multi-Level Skip Fire)
Die dynamische Mehrstufen-Zylinderabschaltung ist eine Abwandlung der DSF. Mit dynamischer Mehrstufen-DSF wird nicht nur basierend auf jeder einzelnen Zündgelegenheit entschieden, ob einzelne Zylinder abgeschaltet oder gezündet werden, sondern es wird auch für jeden gezündeten Zylinder eine von mehreren möglichen Leistungsstufen gewählt. Durch selektiven Einsatz unterschiedlicher Ladeluftmengen und/oder Kraftstoffzufuhrmengen kann die Arbeitsleistung einzelner Zylinder gesteuert oder moduliert werden, um unterschiedliche Leistungsstufen zu erreichen. Ein dynamischer Betrieb der Kraftmaschine mit mehreren Lademengen, wobei einzelne Arbeitszyklen mit unterschiedlichen Zylinderleistungsstufen betrieben werden, kann neben DSF bei verschiedenen Arten von Kraftmaschinensteuerungen zur Anwendung kommen, einschließlich Kraftmaschinen, bei denen immer alle Zylinder gezündet werden, oder Kraftmaschinen, bei denen Zylinderbänke deaktiviert werden können. US-Patent Nr. 9,399,964 beschreibt als Beispiel verschiedene Implementierungen des Kraftmaschinenbetriebs mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung und gilt durch Verweis als für alle Zwecke hierin aufgenommen.
Der Kraftmaschinenbetrieb mit dynamischer Zylinderabschaltung und dynamisch mit mehreren Lademengen können zusammenfassend als verschiedene Arten des Kraftmaschinenbetriebs mit dynamischer Zündniveaumodulation betrachtet werden, bei denen die Leistungsabgabe jedes Arbeitszyklus (z. B. Abschalten/Zünden, Hoch/Niedrig, Abschalten/Hoch/Niedrig usw.) während des Betriebs der Kraftmaschine dynamisch bestimmt wird, typischerweise basierend auf jeder einzelnen Zündgelegenheit des einzelnen Zylinders und oft unmittelbar vor jeder Zündgelegenheit, bevor der entsprechende Arbeitszyklus beginnt.
Partikelmasse und -anzahl („PM/PN“)
Es ist bekannt, dass Kraftmaschinen mit Direkteinspritzung größere PM/PN-Mengen ausstoßen als Kraftmaschinen mit indirekter Einspritzung, was hauptsächlich auf den relativen Grad der homogenen Vermischung von Luft und Kraftstoff zwischen beiden zurückzuführen ist. Bei der indirekten oder Saugrohreinspritzung werden Luft und Kraftstoff im Ansaugrohr „vorgemischt“. Im Inneren des Zylinders findet eine weitere Vermischung statt. Dadurch wird (1) ein relativ homogenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Zylinder erzielt und (2) trifft nur sehr wenig, wenn überhaupt, flüssiger Kraftstoff auf die Innenwände des Zylinders auf. Bei der Direkteinspritzung gibt es dagegen weniger Gelegenheit für eine gründliche Vermischung von Luft und Kraftstoff, da keine „Vorvermischung“ im Ansaugrohr stattfindet. Mit weniger Gelegenheit zur Vermischung neigt das Luft-Kraftstoff-Gemisch dazu, (1) weniger homogen zu sein, d. h. es können beim Einsetzen der Verbrennung Nester mit hohem Kraftstoffgehalt und/oder flüssige Kraftstofftropfen im Zylinder vorhanden sein, und (2) besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass flüssiger Kraftstoff auf die Wände des Zylinders auftrifft.
Wenn Kraftstoff auf die Zylinderwände trifft oder diese „benetzt“, bildet sich ein Flüssigkeitsfilm auf den Zylinderwänden. Wenn der flüssige Kraftstoff den Verbrennungstemperaturen ausgesetzt wird, verkohlt er, anstatt vollständig verbrannt zu werden, aufgrund des Sauerstoffmangels an der exponierten Kraftstoffoberfläche. Diese Kohlenstoffablagerungen werden dann beim Ausstoßhub nach Öffnen des Abgasventils als partikuläre PM/PN-Emissionen aus dem Zylinder gespült. Aus diesen Gründen weisen Kraftmaschinen mit Direkteinspritzung tendenziell relativ höhere PM/PN-Emissionswerte auf als ihre Pendants mit indirekter Einspritzung.
Zylinderabschaltung und PM/PN
Die Zylinderabschaltung hat trotz ihrer Kraftstoff sparenden Vorteile auch einige Nachteile. Wenn ein Zylinder abgeschaltet ist, neigt er zum Abkühlen. Es wurde festgestellt, dass, wenn ein Zylinder für einen oder mehrere aufeinanderfolgende Arbeitszyklen deaktiviert wurde, die Betriebstemperatur des Zylinders unter seinen idealen Betriebstemperaturbereich fallen kann. Wenn der Zylinder reaktiviert wird, führt infolgedessen die kühlere Zylindertemperatur dazu, dass der eingespritzte Kraftstoffstrahl eine längere Kraftstoffstrahl-Eindringlänge hat, was bedeutet, dass der Kraftstoff über einen längeren Weg in flüssiger Form in den Zylinder eingetragen wird, bevor er verdampft.
Die späte Verdampfung von Kraftstoff erhöht tendenziell die PM/PN-Emissionen aus wenigstens zwei Gründen:

(1) Je länger es dauert, bis der Kraftstoff verdampft, desto weniger Gelegenheit hat der Kraftstoff, sich mit Luft zu vermischen. Infolgedessen bilden sich in der Brennkammer Nester mit hohem Kraftstoffgehalt, die bei der Verbrennung im Vergleich zu einem homogeneren Luft-Kraftstoff-Gemisch höhere PM/PN-Emissionen erzeugen; und
(2) Die längere Flüssigkeitslaufzeit kann dazu führen, dass der Kraftstoff den Kolben und die Innenwände des Zylinders „benetzt“ bzw. auf diese auftrifft. Wenn dies geschieht, bildet sich auf den Oberflächen ein Flüssigkeitsfilm, der verkohlt und beim Ausstoßhub, wie oben beschrieben, aus dem Zylinder herausgespült wird.

Bei DSF-gesteuerten Brennkraftmaschinen wird das Problem der PM/PN-Emissionen weiter verschärft. Wenn z. B. drei von acht Zylindern während eines Kraftmaschinenzyklus deaktiviert (d. h. abgeschaltet) werden, müssen die verbleibenden fünf aktiven Zylinder mehr Ausgangsdrehmoment erzeugen, um den erforderlichen Bedarf zu decken, als wenn alle Zylinder gezündet werden. Um den erhöhten Bedarf zu decken, muss mehr Kraftstoff in die aktiven Zylinder eingespritzt werden, als für den Vollzylinderbetrieb erforderlich wäre. Bei Einspritzung einer größeren Kraftstoffmasse ist eine Benetzung der Innenwände von Zylindern wahrscheinlicher, was zu einer Erhöhung der PM/PN-Emissionen führen kann.
Zumindest aus dem oben erläuterten Grund erzeugen Kraftmaschinen mit DSF-Steuerung und Mehrstufen-DSF-Steuerung tendenziell höhere PM/PN-Emissionen als andere Kraftmaschinentypen mit Zylinderdeaktivierungsfunktion.
Geteilte Direkteinspritzung
Die Anmelderin hat herausgefunden, dass, wenn nach einem oder mehreren Arbeitszyklen, in denen der Zylinder deaktiviert war, für einen reaktivierten Zylinder die geteilte Direkteinspritzung verwendet wird, die PM/PN-Emissionen reduziert werden können. Bei der geteilten Einspritzung werden zwei (oder mehr) kleinere Kraftstoffimpulse in einen bestimmten Zylinder eingespritzt, im Gegensatz zu einem größeren Impuls. Mit einem relativ kleineren Kraftstoffvolumen bei jeder Einspritzung ist die Kraftstoffstrahl-Eindringlänge kürzer, was die Vorteile bietet, dass (1) der Kraftstoff früher verdampfen kann, was die Homogenität des Luft-Kraftstoff-Gemischs verbessert, und (2) die Möglichkeit verringert wird, dass der Kraftstoff auf die Wände des Zylinders auftrifft oder diese benetzt. Als Ergebnis werden die PM/PN-Emissionen reduziert. Es ist zu beachten, dass die Gesamt-Kraftstoffmasse der zwei oder mehr kleineren Kraftstoffimpulse typischerweise gleich der Kraftstoffmasse des größeren einzelnen Kraftstoffimpulses ist. Dies ist jedoch nicht unbedingt eine Voraussetzung.
Thermische Eigenschaften von Zylindern
Die thermischen Eigenschaften von Zylindern können von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine variieren. Bei einigen Brennkraftmaschinen führt die Deaktivierung eines Arbeitszyklus (d. h. einer Zündgelegenheit) möglicherweise nicht zu einer drastischen Abkühlung der Betriebstemperatur des Zylinders. In diesem Fall ist die Implementierung einer geteilten Direkteinspritzung für einen reaktivierten Zylinder unmittelbar nach dem abgeschalteten oder inaktiven Arbeitszyklus möglicherweise nicht wünschenswert oder notwendig, um die PM/PN-Emissionen zu reduzieren. Wenn dagegen derselbe Zylinder über mehrere unmittelbar vorhergehende Arbeitszyklen hinweg mehrfach deaktiviert wird, kann sich der Zylinder erheblich bis zu einem Punkt abkühlen, bei dem die Implementierung einer geteilten Direkteinspritzung bei der Reaktivierung wünschenswert ist. Bei anderen Brennkraftmaschinen kann die Deaktivierung eines Zylinders für nur einen Arbeitszyklus zu einer ausreichenden Abkühlung führen, aufgrund deren eine geteilte Direkteinspritzung wünschenswert oder notwendig ist, um die PM/PN-Emissionen bei der Reaktivierung im nächsten Arbeitszyklus zu reduzieren. So kann, je nach den Konstruktionsdetails der Kraftmaschine, die geteilte Einspritzung für reaktivierte Zylinder nach einer Abschaltung, zwei aufeinanderfolgenden Abschaltungen, drei aufeinanderfolgenden Abschaltungen, vier aufeinanderfolgenden Abschaltungen oder einer beliebigen größeren Anzahl von aufeinanderfolgenden Abschaltungen verwendet werden.
Umgekehrt kann auch die Anzahl der aufeinanderfolgenden aktiven Arbeitszyklen, in denen ein „kalter“ Zylinder auf einen normalen Betriebstemperaturbereich erwärmt werden muss, stark variieren. Bei einigen Brennkraftmaschinen kann ein einzelner Arbeitszyklus mit aktiver Zündung ausreichend sein. Bei anderen Brennkraftmaschinen können zwei oder mehr Arbeitszyklen mit aktiver Zündung erforderlich sein, um einen „kalten“ Zylinder auf seinen normalen oder warmen Betriebstemperaturbereich zu erwärmen, der oberhalb einer Schwelle liegt, bei der eine geteilte Einspritzung wünschenswert ist.
Auch der „warme“ oder normale Betriebstemperaturbereich eines Zylinders kann von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine sehr unterschiedlich sein. Im Allgemeinen kann die betriebswarme Temperatur der Innenwände eines Zylinders im Bereich von ca. 150° bis 175° C und des Kolbenbodens im Bereich von 225° C bis 255° C liegen. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren können diese Bereiche höher liegen, beispielsweise bis zu 300° C. Es versteht sich, dass diese Bereiche lediglich beispielhaft sind und in keiner Weise als einschränkend verstanden werden sollten. In konkreten Ausführungsformen verschiedener Brennkraftmaschinen können die Temperaturen, die als „kalt“ oder „warm“ gelten, stark variieren.
Beispielhafte Ausführungsformen
Es wird Bezug genommen auf 1; gezeigt ist ein Logikdiagramm 10 einer Kraftmaschinensteuerung 12, einer Brennkraftmaschine 14 und eines Abgassystems 16 eines beispielhaften Fahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 14 weist mehrere Zylinder 18 auf. In der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine 14 4 Zylinder auf. Es versteht sich, dass diese Zahl stark variieren kann. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Zylinder 18 beispielsweise 1, 2, 3, 5, 6, 8, 12, 16 oder mehr betragen. Die Zylinder können in Bänken oder in einer Reihenkonfiguration angeordnet sein.
Die Kraftmaschinensteuerung 12 ist dafür ausgelegt, die Brennkraftmaschine 14 in einer Weise zu betreiben, bei der wenigstens einer der Zylinder während eines bestimmten Arbeitszyklus selektiv deaktiviert (d. h. abgeschaltet) werden kann. In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann die Kraftmaschinensteuerung 12 beispielsweise (a) zur selektiven Deaktivierung einer Gruppe von einem oder mehreren Zylindern, (b) als DSF-Kraftmaschinensteuerung, bei der die Entscheidung, ob jeder Zylinder 18 gezündet oder abgeschaltet werden soll, basierend auf jeder einzelnen Zündgelegenheit getroffen wird, oder (c) als Brennkraftmaschine mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung, bei der die Leistung des/der gezündeten Zylinder(s) 18 aus einer von mehreren verschiedenen möglichen Leistungsstufen ausgewählt wird, betrieben werden.
Die Brennkraftmaschine 14 kann auch entweder mit Funkenzündung oder mit Kompressionszündung arbeiten. Bei ersterem wird ein Funke, der durch eine Zündkerze oder dergleichen vor oder zu Beginn des Arbeitshubes jedes Zylinders 18 erzeugt wird, zur Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verwendet. Bei letzterem wird die Zündung durch eine Kombination aus Druck und erhöhter Temperatur gegen Ende des Verdichtungshubs ausgelöst.
Das Abgassystem 16 ist vorgesehen, um Emissionen von unerwünschten Schadstoffen, einschließlich PM/PN-Emissionen, die ein Nebenprodukt der Verbrennung sind, zu begrenzen. Die Komponenten im Abgas 16 können abhängig vom Typ der Brennkraftmaschine variieren. Bei Benzinkraftmaschinen mit Funkenzündung weist das Abgassystem 16 typischerweise einen 3-Wege-Katalysator auf, der sowohl unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert als auch Stickoxide (NO_x) reduziert. Diese Katalysatoren erfordern, dass die Verbrennung in der Kraftmaschine im Durchschnitt bei oder nahe einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis liegt, so dass sowohl Oxidations- als auch Reduktionsreaktionen stattfinden können. Kraftmaschinen mit Kompressionszündung laufen generell mager. Folglich können sich Kraftmaschinen mit Kompressionszündung, etwa Diesel-Kraftmaschinen, nicht auf einen herkömmlichen 3-Wege-Katalysator stützen, um die Emissionsvorschriften zu erfüllen. Stattdessen verwenden sie andere Arten von Nachbehandlungsvorrichtungen, um die NO_x-Emissionen zu reduzieren. Diese Nachbehandlungsvorrichtungen können eine Kombination aus NO_x-Speicherkatalysator und selektiver katalytischer Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) verwenden, um Stickoxide zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Darüber hinaus können Kraftmaschinen mit Kompressionszündung auch mit Partikelfiltern arbeiten oder solche erfordern, um Rußemissionen zu reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Abgassystem 16 eine beliebige Kombination aus einem oder mehreren der oben aufgeführten Nachbehandlungselemente aufweisen.
Die Zylinder 18 sind, unabhängig von ihrer Anzahl, dafür ausgelegt, bei aktiven („gezündeten“) Arbeitszyklen ein Ausgangsdrehmoment zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Brennkraftmaschine 14 eine Kraftmaschine mit beliebig vielen Takten sein, zum Beispiel entweder eine 4-Takt- oder eine 2-Takt-Kraftmaschine.
Direkteinspritzung
Es wird Bezug genommen auf 2; dargestellt ist ein Querschnitt durch einen beispielhaften Zylinder 18 mit Direkteinspritzung. Der Zylinder 18 weist einen Kolben 20, ein Luftansaugrohr 22, ein Ansaugventil 22A, ein Abgasventil 24, ein Abgasrohr 24A, eine Zündkerze 26 und ein Direkteinspritzelement 28 auf.
Während eines Arbeitszyklus bewegt sich der Kolben 20 zwischen Positionen hin und her, die gemeinhin als oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT) bezeichnet werden.
Das Luftansaugrohr 22 führt dem Zylinder 18 Luft zu, wenn das Ansaugventil 22A geöffnet ist.
Wenn das Abgasventil 24 geöffnet ist, können Verbrennungsgase und andere Partikelmasse aus dem Zylinder 18 durch das Abgasrohr 24A in das Abgassystem 16 (nicht abgebildet) ausgestoßen werden.
Die Zündkerze 26 erzeugt einen Funken, der das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder 18 zündet.
Das Direkteinspritzelement 28 ist dafür ausgelegt, Kraftstoff direkt in den Zylinder 18 einzuspritzen. Wie weiter unten genauer beschrieben, ist das Direkteinspritzelement 28 in der Lage, während eines oder mehrerer Takte eines beliebigen Arbeitszyklus einen einzelnen, relativ großen Kraftstoffimpuls oder alternativ zwei oder mehr kleinere Impulse einzuspritzen.
Im gezeigten Beispiel wird der Zylinder 18 funkengezündet. Wenn der Zylinder 18 auf Selbstzündung beruhte, wäre er im Wesentlichen gleich der Abbildung, jedoch ohne die Zündkerze 26.
In einer optionalen Ausführungsform kann ein Temperatursensor 29 am oder in der Nähe des Zylinders 18 bereitgestellt sein, um seine Betriebstemperatur zu messen.
Obwohl die geteilte Direkteinspritzung wie unten beschrieben mit jeder Brennkraftmaschine unabhängig von der Anzahl der Takte verwendet werden kann, wird die folgende Erklärung der Kürze halber nur im Zusammenhang mit einer 4-Takt-Kraftmaschine beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf 3A; dargestellt ist ein Arbeitszyklus eines Zylinders 18 einer 4-Takt-Brennkraftmaschine 14. In diesem besonderen Beispiel beinhalten die 4 Takte einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Ausstoßhub. Alle vier Takte werden in zwei Umdrehungen der Kurbelwelle oder insgesamt 720 Grad Kurbelwellenumdrehung abgeschlossen.
Wie weiter unten näher beschrieben, kann das Direkteinspritzelement 28 während des Ansaug- und eventuell auch während des Verdichtungs- und/oder des Arbeitshubs Kraftstoff einspritzen. Die Kraftstoffeinspritzung während des Ansaughubs ermöglicht eine maximale Zeit für die Kraftstoff-Luft-Mischung.
Während des Arbeitszyklus arbeitet ein gegebener Zylinder 18 wie folgt:

Im Ansaughub ist das Ansaugventil 22A geöffnet und der Kolben 20 bewegt sich vom OT zum UT, wodurch Luft aus dem Luftansaugrohr 22 in die Kammer angesaugt wird. Die Luft vermischt sich mit dem durch das Kraftstoff-Einspritzelement 28 eingespritzten Kraftstoff;
im Verdichtungshub ist das Ansaugventil 22A geschlossen, und der Kolben bewegt sich vom UT zum OT, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder komprimiert wird; gegen Ende des Verdichtungshubs erzeugt die Zündkerze 26 einen Funken, wodurch das komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt;
im Arbeitshub breitet sich die Verbrennungsfront über das gesamte umschlossene Zylindervolumen aus und erzeugt einen starken Temperatur- und Druckanstieg des eingeschlossenen Gases. Dadurch bewegt sich der Kolben von der OT- in die UT-Position, und der Zylinder erzeugt ein Ausgangsdrehmoment oder Arbeit.
Im Ausstoßhub ist das Abgasventil 24 geöffnet, und der Kolben bewegt sich vom UT zum OT, wodurch die Nebenprodukte der Verbrennung, einschließlich Gase, Partikel und andere Schadstoffe,
durch das Abgasrohr 24A und in das Abgassystem 16 gedrückt werden.

Nach Beendigung eines bestimmten Arbeitszyklus befindet sich der Kolben 20 wieder in der OT-Position und der Zylinder ist bereit, seinen nächsten Arbeitszyklus zu beginnen.
Bei der geteilten Einspritzung ist das Direkteinspritzelement 28 so angeordnet, dass es zwei oder mehr relativ kleine Kraftstoffimpulse während eines oder mehrerer von Ansaug-, Verdichtungs- und/oder Arbeitshub des Arbeitszyklus einspritzt. Es wird Bezug genommen auf 3B bis 3E; dargestellt sind Diagramme mehrerer alternativer Ausführungsformen. Insbesondere gilt:

3B zeigt einen ersten Impuls 30 und einen zweiten Impuls 32, die beide während des Ansaughubs eingespritzt werden.
3C zeigt einen ersten Impuls 30 während des Ansaughubs und einen zweiten Impuls 32 während des Verdichtungshubs.
3D zeigt einen ersten, zweiten und dritten Impuls 30, 32 und 34 im Ansaug-, Verdichtungs- bzw. Arbeitshub.
3E zeigt einen ersten und zweiten Impuls 30 und 32 im Ansaughub und einen dritten Impuls 34 im Arbeitshub.

Die letzten beiden Beispiele, mit Direkteinspritzung eines Kraftstoffimpulses in den Arbeitshub, sind eher für kompressionsgezündete Kraftmaschinen mit magerer Verbrennung geeignet. Bei diesen Kraftmaschinentypen können nach der Verbrennung überschüssige(s) Partikel und CO im Zylinder verbleiben. Durch Einspritzen einer kleinen Menge Kraftstoff während des Arbeitshubs können diese Partikel und das CO vor dem Ausstoßhub verbrannt werden, wodurch die PM/PN- und CO-Emissionen gesenkt werden.
Die Dauer der in 3B bis 3E dargestellten Kraftstoffimpulse ist als gleich lang dargestellt, dies ist jedoch keine Voraussetzung. Die Dauer der einzelnen Kraftstoffimpulse bei der geteilten Einspritzung kann unterschiedlich sein.
Es ist zu beachten, dass die Verteilung der Kraftstoffimpulse nicht auf die in 3B bis 3E explizit dargestellten beschränkt ist. Zwei oder mehr Impulse können in einem beliebigen Takt oder einer Kombination von Takten eingespritzt werden. Es kann eine beliebige Anzahl von Kraftstoffimpulsen unterschiedlicher Impulsdauer auf die verschiedenen Takte eines Zylinderarbeitszyklus verteilt werden.
Impulsbreite und Kraftstoffeinspritzdruck
Die Kraftstoffstrahl-Eindringlänge eines direkt in einen Zylinder eingespritzten Impulses ist entscheidend für eine ideale Luft-Kraftstoff-Mischung und für die Begrenzung der PM/PN-Emissionen, wie oben beschrieben. Die Kraftstoffstrahl-Eindringlänge kann für jeden Impuls optimiert werden, indem wenigstens zwei Parameter gesteuert werden, darunter (1) die Dauer oder Breite eines Kraftstoffimpulses und (2) der Druck, mit dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird.
Die Größe und andere Eigenschaften der Zylinder 18 können von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine variieren. Eine ideale Kraftstoffstrahl-Eindringlänge für eine Kraftmaschine kann für eine andere Brennkraftmaschine ungeeignet sein. Durch Einstellen des Impulsbreite- und des Druckparameters kann eine gewünschte Strahl-Eindringlänge für eine Vielzahl von Kraftmaschinen erreicht werden. Beispielsweise kann bei einigen Kraftmaschinen durch eine längere Impulsbreite, die bei niedrigem Druck eingespritzt wird, eine optimierte Kraftstoffstrahleindringung erzielt werden. Bei anderen Kraftmaschinen kann die optimierte Kraftstoffstrahl-Eindringlänge mit einer kürzeren Impulsbreite bei hohem Druck erzielt werden.
Bei der geteilten Einspritzung kann somit die gewünschte Kraftstoffstrahl-Eindringlänge für jeden Impuls individuell gesteuert werden, indem die Einspritzimpulsbreite ausgewählt und optional der Kraftstoffverteilerdruck eingestellt wird. In 4A-4B sind verschiedene Beispiele für direkt eingespritzte Kraftstoffimpulse gemäß nicht ausschließenden Ausführungsformen dargestellt. In jedem Fall ist eine andere Strahl-Eindringlänge umgesetzt.
In 4A hat ein Kraftstoffimpuls (ein beliebiger erster, zweiter oder dritter Impuls 30, 32 oder 34) eine Dauer von etwa 0,8 Millisekunden und wird mit einem Kraftstoffverteilerdruck von 340 bar abgegeben. Die Anmelderin hat festgestellt, dass bei einer bestimmten Brennkraftmaschine (z.B. einer aufgeladenen 4-Zylinder-, 4-Takt-Kraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung (T-GDI) von Volkswagen) diese Kombination von Impulsdauer und Druck die gewünschte Kraftstoffstrahl-Eindringlänge ergibt. Im Vergleich beträgt die Hubdauer für die Kraftmaschine, die bei 1600 U/Min. arbeitet, 18,75 Millisekunden, so dass die Kraftstoffimpulsdauer nur einen kleinen Teil, weniger als 5 %, der Hubdauer ausmacht. Es versteht sich, dass diese Kombination aus Impulsbreite und Druck nur beispielhaft ist und in keiner Weise als einschränkend verstanden werden sollte. Für verschiedene Brennkraftmaschinen können Impulse verwendet werden, die kürzer oder länger dauern und bei höheren oder niedrigeren Drücken eingespritzt werden.
In 4B sind zwei beispielhafte Impulse dargestellt. In diesem Beispiel hat der erste Impuls 30 eine längere Dauer als der zweite Impuls 32 (und eventuell der dritte Impuls 34). Dieses Beispiel verdeutlicht, dass durch die Verwendung von Impulsen mit unterschiedlicher Breite und/oder unterschiedlichem Druck die resultierende Kraftstoffstrahl-Eindringlänge jeweils unterschiedlich sein kann. Mit anderen Worten, für jeden eingespritzten Kraftstoffimpuls während eines Arbeitszyklus mit mehreren Kraftstoffeinspritzungen besteht kein Erfordernis, dass die einzelnen Impulse die gleiche Dauer haben.
Einzel- und geteilte Einspritzsteuerung im Vergleich
Die Kraftmaschinensteuerung 12 ist dafür verantwortlich (1) zu bestimmen, welche Zylinder 18 in ihrer Zündfolge aktiviert (d. h. gezündet) oder deaktiviert (z. B. abgeschaltet) werden sollen, (2) für aktivierte Zylinder zu bestimmen, ob eine einfache oder eine geteilte Einspritzung verwendet werden soll, und (3) das Direkteinspritzelement 28 zu steuern, um den Zeitpunkt und die Dauer des Kraftstoffimpulses 30, 32 und/oder 34 zu steuern, um für jeden die gewünschte Gesamtmasse an eingespritztem Kraftstoff und Kraftstoffstrahl-Eindringlänge zu erzielen.
Wie bereits erwähnt, kann die Direkteinspritzung in einen „kalten“ Zylinder 18 wegen der erhöhten PM/PN-Emissionen problematisch sein. Andererseits hat die ständige Verwendung der geteilten Einspritzung für alle aktiven Zündgelegenheiten auch ihre Nachteile. Die ständige Verwendung von geteilter Einspritzung (1) verschleißt das Einspritzventilelement 28 und (2) bietet eine weniger präzise oder genaue Kraftstoffabgabe im Vergleich zu einem einzelnen großen Impuls.
Während des Betriebs der Kraftmaschine 14 schwankt die Temperatur eines bestimmten Zylinders 18 zwischen „kalten“ und „warmen“ Temperaturen, abhängig von seiner Zündhistorie (d. h. dem Muster von Zündungen und Abschaltungen über die unmittelbar vorhergegangenen Zündgelegenheiten). Die Entscheidung, ob eine einfache oder eine geteilte Einspritzung verwendet wird, hängt weitgehend von der Betriebstemperatur des Zylinders kurz vor dem Zünden ab. Ist diese „kalt“, wird vorzugsweise die geteilte Einspritzung verwendet. Ist sie „warm“, wird vorzugsweise die einfache Einspritzung verwendet. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Temperatur des Zylinders mittels eines der folgenden bestimmt:

(1) Durch Verwendung eines Algorithmus, der die Temperatur basierend auf der Zündhistorie des Zylinders über die letzten mehreren Zündgelegenheiten (z. B. die letzten 1-5 Zündgelegenheiten oder eine alternative Historienlänge) vorhersagt. Wie bereits erwähnt, kann der Grad, in dem ein Zylinder nach einer oder mehreren Abschaltungen abkühlt oder nach einem oder mehreren Zündungsvorgängen erwärmt wird, von Kraftmaschine zu Kraftmaschine stark variieren. Durch Anpassen des Algorithmus, der mit einer bestimmten Kraftmaschine und/oder einem bestimmten Fahrzeug verwendet wird, kann die tatsächliche Temperatur der Zylinder typischerweise mit einem sehr hohen Grad an Genauigkeit vorhergesagt oder bestimmt werden. Anhand der vorhergesagten Temperatur kann leicht entschieden werden, ob eine einfache oder geteilte Einspritzung verwendet werden soll. Wenn die vorhergesagte Temperatur unter einem Temperaturschwellenwert liegt, wird die geteilte Einspritzung verwendet. Wenn die vorhergesagte Temperatur über dem Temperaturschwellenwert liegt, wird die Einzelimpulseinspritzung verwendet,
(2) Messen der tatsächlichen Temperatur des Zylinders mit dem Temperatursensor 29 und Treffen der Entscheidung, entweder die einfache oder die geteilte Einspritzung zu verwenden, je nachdem, ob die gemessene Temperatur über oder unter dem Schwellenwert liegt; oder
(3) eine Kombination von (1) und (2).

Es wird Bezug genommen auf 5; gezeigt ist ein Flussdiagramm 50, das die von der Kraftmaschinensteuerung 12 implementierten Schritte zur Entscheidung über die Verwendung einer einfachen oder geteilten Einspritzung für die Zylinder 18 der Brennkraftmaschine 14 veranschaulicht.
Im ersten Schritt 52 wählt die Kraftmaschinensteuerung 12 den nächsten Zylinder 18 in der Zündfolge der Brennkraftmaschine 14 aus.
In Schritt 54 bestimmt die Kraftmaschinensteuerung 12, ob der ausgewählte Zylinder 12 im kommenden Arbeitszyklus aktiviert oder deaktiviert werden soll. Wird er deaktiviert, kehrt die Steuerung zu Schritt 52 zurück, wo zu gegebener Zeit der nächste Zylinder in der Zündfolge ausgewählt wird. Wenn der ausgewählte Zylinder 18 aktiviert werden soll, dann wird die Entscheidung 56 durchgeführt.
Bei der Entscheidung 56 wird die Temperatur des ausgewählten Zylinders 18 mit einem der oben beschriebenen Verfahren (1), (2) oder (3) ermittelt. Nachdem die Temperatur vorhergesagt, bestimmt und/oder gemessen wurde, wird sie mit einer Schwellenwerttemperatur verglichen.
In Schritt 58 trifft die Kraftmaschinensteuerung 12 die Entscheidung, die Einzelimpulseinspritzung zu verwenden, wenn die vorhergesagte, bestimmte und/oder gemessene Temperatur über dem Temperaturschwellenwert liegt.
Alternativ trifft in Schritt 60 die Kraftmaschinensteuerung 12 die Entscheidung, die geteilte Einspritzung zu verwenden, wenn die vorhergesagte, bestimmte und/oder gemessene Temperatur unter dem Temperaturschwellenwert liegt. Unter solchen Umständen ist der Zylinder „kalt“ und hilft die Verwendung der geteilten Einspritzung, die PM/PN-Emissionen zu reduzieren.
Unabhängig davon, ob eine einfache oder geteilte Einspritzung verwendet wird, kehrt die Steuerung zu Schritt 52 zurück, und der nächste Zylinder in der Zündreihenfolge wird ausgewählt und die Schritte 54-60 werden wiederholt. Der obige Prozess wird für jeden Zylinder 18 in der Zündfolge jeweils für jeden Kraftmaschinenzyklus ständig wiederholt. Auf diese Weise trifft die Kraftmaschinensteuerung 12 für jede Zündgelegenheit für jeden der Zylinder 18 eine Entscheidung, (a) den Zylinder 18 zu aktivieren oder zu deaktivieren und (b) für aktivierte Zyklen entweder einfache oder geteilte Einspritzung zu verwenden.
Bei dem oben beschriebenen Ansatz wird die geteilte Einspritzung nur bei Bedarf verwendet (d. h. nur, wenn der Zylinder „kalt“ ist). Da bei einem gegebenen Zylinder die Temperatur schwankt, wird die geteilte Einspritzung nur bei „kalt“, nicht aber bei „warm“ verwendet. Wenn ein „kalter“ Zylinder 18 bei aufeinanderfolgenden Zündgelegenheiten gezündet wird, erwärmt er sich im Endeffekt. Wenn die Temperatur des Zylinders den Schwellenwert übersteigt, wird die einfache Einspritzung verwendet. Umgekehrt wird ein warmer Zylinder, wenn er für eine oder mehrere Zündgelegenheiten abgeschaltet wird, wahrscheinlich auf eine Temperatur unterhalb des Schwellenwerts abkühlen. Bei der Reaktivierung des Zylinders wird die geteilte Einspritzung verwendet, bis sich seine Temperatur erwärmt und den Schwellenwert übersteigt.
Der oben beschriebene Ansatz bietet eine Reihe von Vorteilen, einschließlich (1) Verringerung der PM/PN- und Kohlenwasserstoff-Emissionen, wenn „kalte“ Zylinder gezündet werden, (2) geringerer Verschleiß des Einspritzelements 28, da die geteilte Einspritzung nur bei Bedarf verwendet wird, und (3) präzisere Kraftstoffmassenzufuhr zu „warmen“ Zylindern durch Einzelimpulseinspritzung.
Sonderfälle
Eine vollständige Zylinderabschaltung im Schubbetrieb (Deceleration Cylinder Cut-Off, DCCO) kommt in bestimmten Fahrsituationen zum Tragen, wenn der Fahrer oder eine andere autonome oder teilautonome Steuerung keine Drehmomentanforderung stellt (z. B. das Gaspedal nicht betätigt wird), etwa wenn ein Fahrzeug bergab rollt oder zum Stillstand kommt. Bei der DCCO werden die Zylinder der Kraftmaschine typischerweise nicht mit Kraftstoff versorgt und sind die Ansaug- und/oder Abgasventile geschlossen. Dadurch wird Kraftstoff eingespart und werden Pumpverluste reduziert. Da die Zylinder im DCCO-Betrieb typischerweise nicht über zahlreiche aufeinanderfolgende Zündgelegenheiten gezündet werden, neigen sie zum Abkühlen. Die Anmelderin befürwortet daher im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung in bestimmten, nicht ausschließenden Ausführungsformen die Verwendung einer geteilten Einspritzung für alle reaktivierten Zylinder nach Beendigung des DCCO-Betriebs und bis die reaktivierten Zylinder eine „warme“ Temperatur oberhalb eines Temperaturschwellenwerts erreichen.
Wenn sich ein Fahrzeug im Leerlauf befindet, wird typischerweise sehr wenig Kraftstoff in die Zylinder der Kraftmaschine eingespritzt. Die direkte Einspritzung eines einzelnen Impulses in die Zylinder einer Kraftmaschine im Leerlauf wird daher im Allgemeinen bevorzugt, da die Aufteilung sehr kleiner Kraftstoffmengen auf zwei oder mehr Impulse eine größere Herausforderung darstellt als die Einspritzung eines einzelnen Impulses, wenn sich das Fahrzeug im Leerlauf befindet.
Es kann vorteilhaft sein, einen oder mehrere Zylinder 18 der Brennkraftmaschine 14 während der Arbeitszyklen, in denen der eine oder die mehreren Zylinder deaktiviert sind, als eine von mehreren verschiedenen Formen von Gasfedern zu betreiben. Solche Formen von Gasfedern können z. B. eine Niederdruck-Auslassfeder (Low Pressure Exhaust Spring, LPES), eine Hochdruck-Auslassfeder (High Pressure Exhaust Spring, HPES) oder eine Luftfeder (Air Spring, AS) sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Gasfedertypen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 15/982,406 beschrieben, die durch diesen Verweis als für alle Zwecke hierin aufgenommen gilt. Je nach Typ der verwendeten Gasfeder fällt die Temperaturentwicklung eines Zylinders in Reaktion auf Zündungen und Abschaltungen unterschiedlich aus. Ein deaktivierter Zylinder, der als HPES arbeitet, kühlt zum Beispiel langsamer ab als ein deaktivierter Zylinder, der mit einer Luftfeder arbeitet. Bei einer Kraftmaschine mit Kompressionszündung sind die abgeschalteten Arbeitszyklen möglicherweise nicht deaktiviert, d. h. die Ansaug- und Abgasventile können weiterhin öffnen und schließen und Luft durch den abgeschalteten Arbeitszyklus pumpen. In den abgeschalteten Arbeitszyklus wird kein Kraftstoff eingespritzt und somit wird er kein Drehmoment liefern, d. h. er wird abgeschaltet sein. Wenn Luft durch den Zylinder gepumpt wird, kühlt der Zylinder tendenziell schneller ab, als wenn Gas bei Verwendung eines der oben beschriebenen Gasfedereinschlussmodi in der Brennkammer des Zylinders eingeschlossen wird. Vor diesem Hintergrund kann jeder Vorhersagealgorithmus, der zur Bestimmung von einfacher bzw. geteilter Einspritzung verwendet wird, das unterschiedliche Temperaturabkühlungsprofil der Zylinder bei Betrieb mit verschiedenen Gasfedertypen oder mit Arbeitszyklen, bei denen Luft gepumpt wird, berücksichtigen.
Wie bereits beschrieben, kann eine Kraftmaschine eine Kraftmaschinensteuerung mit dynamischer Zündniveaumodulation verwenden, bei der die Leistungsabgabe jedes Arbeitszyklus (z. B. Abschalten/Zünden, Hoch/Niedrig, Abschalten/Hoch/Niedrig usw.) während des Betriebs der Kraftmaschine dynamisch bestimmt wird. Der Zündungstyp kann das Einspritzmuster beeinflussen. Die eingespritzte Kraftstoffmasse für eine Zündgelegenheit mit niedriger Leistungsabgabe wird kleiner sein als die eingespritzte Kraftstoffmasse für eine Zündgelegenheit mit hoher Leistungsabgabe. Daher wird die Gesamtdauer der Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftmaschinenzyklus bei einem Zündungsereignis mit niedriger Leistungsabgabe geringer sein als bei einem Zündungsereignis mit hoher Leistungsabgabe. Ein reaktivierter Zylinder heizt langsamer auf, wenn er mit Zündgelegenheiten mit niedriger Leistungsabgabe arbeitet, als mit Zündgelegenheiten mit hoher Leistungsabgabe. So können unterschiedliche Einspritzmuster verwendet werden, je nachdem, ob der Zylinder mit niedriger oder hoher Leistungsabgabe betrieben wird und abhängig von der Zündhistorie des Zylinders.
Es ist zu beachten, dass einige Kraftmaschinen, z. B. Kraftmaschinen mit magerer Verbrennung, routinemäßig mit geteilter Einspritzung betrieben werden können. Zum Beispiel kann eine Dieselkraftmaschine routinemäßig ein Einspritzmuster verwenden, das aus einer Voreinspritzung, einer Haupteinspritzung und mehreren Nacheinspritzungen besteht. Die Voreinspritzung hilft, Verbrennungsgeräusche zu reduzieren. Die Haupteinspritzung erzeugt den größten Teil des Drehmoments im Zusammenhang mit der Zündung des Zylinders. Die eine oder die mehreren Nacheinspritzungen erzeugen typischerweise nur ein geringes Drehmoment, können aber dazu verwendet werden, die Temperatur des Abgases zu erhöhen, um die Emissionen zu begrenzen. Bei diesen Kraftmaschinen kann anstelle der einfachen und geteilten Einspritzung ein anderes Einspritzmuster verwendet werden, das von der Zündhistorie oder der Temperatur des Zylinders abhängig ist. Beispielsweise kann in manchen Fällen ein erstes Kraftstoffeinspritzmuster und in anderen Fällen ein zweites Kraftstoffeinspritzmuster verwendet werden. Das erste Kraftstoffeinspritzmuster kann weniger Kraftstoffimpulse als das zweite Kraftstoffeinspritzmuster aufweisen. Das zweite Kraftstoffeinspritzmuster kann verwendet werden, bis ein Zylindertemperatur-Schwellenwert erreicht ist
PN/PN-Versuch mit einer Volkswagen T-GDI-Kraftmaschine und DSF
Es wurde die Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und die Partikelmasse-Emissionen einer aufgeladenen 4-Zylinder-, 4-Takt-Kraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung (T-GDI) bei Betrieb mit DSF-Kraftmaschinensteuerung untersucht. Es wurde festgestellt, dass optimierte Kraftstoff-Einspritzstrategien, einschließlich der geteilten Impulseinspritzung, für reaktivierte Zylinder nach deaktivierten Arbeitszyklen, Partikelemissionen erheblich vermindern können.
Kraftmaschinenmodifikationen

Zur Demonstration der Effektivität des DSF-Betriebs mit einer T-GDI-Kraftmaschine wurde eine aufgeladene Volkswagen 1,8 Liter EA888 4-Zylinder-Kraftmaschine der Gen. 3 verwendet. Einige wichtige technische Daten der Kraftmaschine sind in der folgenden Tabelle I zusammengefasst. Tabelle I

Hubraum Kraftmaschine	1798 cm3
Hub	84,1 mm
Bohrung	82,5 mm
Pleuelstange	148 mm
Verdichtungsverhältnis	9,6:1
Ventiltrieb	16-Ventil DOHC
Nockenwellenverstellungsinstanz	60°CA, nur Ansaugung
Ansaugventil offen, Bereichsmitte	-373°ATDC bei 0,1 mm Hub
Ansaugventil geschlossen, Bereichsmitte	-146°ATDC bei 0,1 mm Hub
Abgasventil offen	15 1°ATDC bei 0,1 mm Hub
Abgasventil geschlossen	370°ATDC bei 0,1 mm Hub
Deaktivierungssystem	DRFF mit OCV

In Tabelle I steht die Abkürzung DOHC für zwei obenliegende Nockenwellen (Dual Overhead Cam), die Abkürzung CA für Nockenwellenwinkel (Crankshaft Angle), die Abkürzung ATDC für „nach dem oberen Totpunkt (OT)“ (After Top Dead Center), die Abkürzung DRFF für „deaktivierender Rollenschlepphebel“ (Deactivating Roller Finger Follower) und die Abkürzung OCV für Ölregelventil (Oil Control Valve).
Die Kraftmaschine wurde dahingehend modifiziert, dass sie mit DSF arbeitet, und mit deaktivierenden Rollenschlepphebeln (DRFFs) von Delphi Technologies an jedem Ventil und dem zugehörigen Ölregelventil (OCV) jedes Zylinders nachgerüstet ist. Zylindergeometrie und Ventilhubprofile wurden von der ursprünglichen Kraftmaschine übernommen. Es wurde ein Hochdruck-Direkteinspritzsystem (350 bar) von Delphi anstelle des serienmäßigen Direkteinspritzsystems verwendet.
Der in dieser Studie verwendete Kraftstoff war ein nach CARB (California Air Resources Board, kalifornische Luftreinhaltungskommission) für emissionsarme Fahrzeuge (Low-Emission Vehicle, LEV) III geeigneter Otto-Kraftstoff mit einem Klopffestigkeitsindex (Anti-Knock Index, AKI) von 87. Die Kraftmaschine diente zum Antrieb eines Volkswagen Jetta, der auf einem Leistungsprüfstand montiert war. Während der Prüfung wurden verschiedene Eingangs- und Ausgangsparameter der Kraftmaschine gemessen.
Zündfolgen
Die Zündungsdichte (Firing Density, FD) beschreibt die Anzahl der Zündungsereignisse im Verhältnis zur Gesamtheit der Zündgelegenheiten, auch als Zündungsanteil bezeichnet. Abhängig von der Gesamtzahl der Zylinder würden bei einigen FDs einige Zylinder der Kraftmaschine kontinuierlich abschalten und andere Zylinder kontinuierlich zünden. Diese FDs werden oft als feste Zündungsmuster bezeichnet, etwa 1/2 und 3/4 FD für eine 4-Zylinder-Kraftmaschine. Die rotierenden Zündungsmuster dagegen, etwa 1/3 und 2/3 FD für eine 4-Zylinder-Kraftmaschine, lassen die Zylinder der Kraftmaschine zyklusübergreifend zwischen Zündung und Abschaltung umschalten. Eine FD von 1 gilt als festes Zündungsmuster und ist gleichbedeutend mit dem Vollzylinderbetrieb.
Testergebnisse und Analyse
6 zeigt die PN-Messung bezogen auf die Zylinderlast für verschiedene Zündungsdichten bei 1600 U/Min. mit Einzelimpuls-Kraftstoffeinspritzung. Wie erwartet, steigen die PN-Emissionen mit zunehmender Zylinderlast. Hier wird die Zylinderlast als indizierter Mitteldruck (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) des zündenden Zylinders definiert, also nur der durchschnittliche IMEP der zündenden Zylinder. Bei einer gegebenen Zylinderlast lagen die ausgestoßenen PN der untersuchten FDs innerhalb der Messunsicherheit voneinander, abgesehen von einer 3/4 FD bei 9 bar IMEP, bei der es sich vermutlich um einen fehlerhaften Datenpunkt handelt. Es wird erwartet und beobachtet, dass feste Zündungsmuster wie etwa FD = 1/2, 3/4 und 1, die kontinuierlich dieselben Zylinder zünden, einen minimalen Einfluss auf die PN-Emissionen im Vergleich zu einem Vollzylinderbetrieb haben. Für ein rotierendes Muster, etwa FD = 2/3, waren die PN-Emissionen jedoch äquivalent zu festen Mustern bei einem gegebenen Zylinder-IMEP, wie in 6 gezeigt. Für eine Zündungsdichte von 2/3 wird jeder gegebene Zylinder während zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen gezündet und dann für einen Arbeitszyklus abgeschaltet und anschließend für zwei weitere aufeinanderfolgende Arbeitszyklen gezündet. Für diese Kraftmaschine bei dieser Kraftmaschinendrehzahl erhöht das Zündungsmuster mit nur einer isolierten Abschaltung nicht die PM/PN-Emissionen.
7 zeigt einige der gleichen Daten wie in 6 gezeigt, jedoch mit einer anderen horizontalen Achse dargestellt. In dieser Figur ist die horizontale Achse die Gesamtlast der Kraftmaschine, ausgedrückt als effektiver Mitteldruck (Brake Mean Effective Pressure, BMEP). Zündungsdichten von 1/2, 2/3 und 3/4 zeigen weniger PN-Emissionen als eine FD von 1 bei 2 bis 5 bar BMEP. In 7 ist auch eine horizontale Linie dargestellt, die einen gesetzlichen PN-Emissionsgrenzwert darstellt. Dieser Grenzwert basiert auf der Euro 6c/China 6-Norm von 6,0 x 10¹¹ Partikel/km für Fahrzeuge, die nach dem WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicle Test, weltweit harmonisierter Test für leichte Kraftfahrzeuge)-Fahrzyklus betrieben werden. Wir haben errechnet, dass dieser gesetzliche Grenzwert einer Partikelemissionsmenge von ca. 8,5×10⁵ (Partikel/cm³) im Abgas der Kraftmaschine entspricht. Ein Blick auf die Figur zeigt, dass die PN-Emissionen für alle diese FDs bei dieser Kraftmaschinendrehzahl deutlich unter dem gesetzlichen Grenzwert liegen.
8 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch (Brake Specific Fuel Consumption, BSFC) bezogen auf die Kraftmaschinenlast für dieselben Zündungsdichten wie in 7 gezeigt. Die Betrachtung der Figur zeigt, dass der Betrieb bei geringerer Zündungsdichte bei niedrigen Kraftmaschinenlasten von ca. 1 bis 5 bar BMEP die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöht. So kann DSF bei geringeren Kraftmaschinenlasten gleichzeitig die PN-Emissionen und den Kraftstoffverbrauch reduzieren.
Während die meisten Zündungsdichten geringere oder gleichwertige PN-Emissionsmengen im Vergleich zum Vollzylinderbetrieb aufweisen, weisen bestimmte rotierende FDs von 1/3, 2/5 und 3/5 höhere PN-Emissionen auf, wie in 9 gezeigt, die die PN-Emissionen bei 1600 U/Min. für verschiedene FDs mit Einzelimpulseinspritzung zeigt. Eine wahrscheinliche Erklärung für dieses Verhalten ist, dass niedrigere Zylindertemperaturen, wenn ein bestimmter Zylinder zwei oder mehr aufeinanderfolgende Zyklen abschaltet, ein unzureichend zerstäubtes Kraftstoff-Luft-Gemisch verursachen können, das zu höheren PM/PN-Emissionen führt. Die Temperatur der Zylinderwand und der Kraftstoffeinspritzventilspitze kann so weit abgekühlt sein, dass sich die Kraftstoffstrahl-Eindringlänge deutlich erhöht hat und eine mögliche Benetzung der Zylinderwand auftreten kann. Eine Zündungsdichte von 1/3 wies die höchste PN-Emissionsmenge auf, da bei diesem Muster jede Zündung nach zwei aufeinanderfolgenden Abschaltungen erfolgt. Eine Zündungsdichte von 2/5 wies etwas weniger PN auf als eine FD von 1/3, da sie eine Zündung nach 2 Abschaltungen und eine Zündung nach einer Abschaltung beinhaltet. Eine FD von 3/5 zeigte die niedrigste PN der drei Muster, da es dort keine aufeinanderfolgenden Abschaltungen gibt.
10 zeigt die PN-Emissionen bei 1600 U/Min. für die in 9 gezeigten Zündungsdichten mit geteilter oder äquivalent mit Mehrimpulseinspritzung. Wie in der Figur dargestellt, wurde eine Mehrimpuls-Einspritzstrategie verwendet, um die hohen PN-Emissionen für FDs von 1/3, 2/5 und 3/5 aufzulösen. In diesem Versuch erfolgten eine Kraftstoffmasseneinspritzung während des Ansaughubs und eine Kraftstoffmasseneinspritzung während des Verdichtungshubs. Ein Vergleich der PN-Emissionen in 9 mit denen in 10 zeigt, dass die PN-Emissionen für FDs von 1/3, 2/5 und 3/5 deutlich reduziert wurden. Die PN-Emissionen für eine FD von 1/3 wurden durch die Verwendung der Mehrimpulseinspritzung um eine Größenordnung reduziert. Obwohl die PN-Emissionen von FDs von 1/3, 2/5 und 3/5 immer noch höher sind als im Vollzylinderbetrieb, erfüllen diese FDs nun die PN-Emissionsvorschriften nach Euro 6c/China 6.
11 zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch (Brake Specific Fuel Consumption, BSFC) in Abhängigkeit von der Kraftmaschinenlast bei 1600 U/Min. für verschiedene FDs. Die FDs von ½ und 1 arbeiteten mit Einzelimpulseinspritzung. Es werden Daten für eine FD von 1/3 sowohl mit geteilter als auch mit Einzelimpulseinspritzung gezeigt. Wie aus 11 ersichtlich, weist die geteilte Einspritzung für eine FD von 1/3 den gleichen oder einen geringeren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zur Einzelimpulseinspritzung auf. Insbesondere zeigt 11, dass der BSFC um ca. 3% für eine FD von 1/3 bei einer Kraftmaschinenlast von 3 bar verbessert wurde. Der minimale BSFC-Übergangspunkt zwischen einer FD von 1/3 und 1/2 hat sich von etwa 2 auf 3 bar erhöht. Mehrere kurze Strahl-Einspritzungen erzeugen ein homogeneres Luft-Kraftstoff-Gemisch als eine lange Strahl-Einspritzung in einen Arbeitszyklus mit Zündung, der auf mehrere aufeinanderfolgende Arbeitszyklen mit Abschaltung folgt. Daher wurden sowohl die PN-Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch reduziert. Dieser Effekt tritt bei höheren Zylinderlasten, wo längere Einspritzdauern zu längeren Kraftstoffimpulsdauern und größeren Strahl-Eindringlängen führen, deutlicher zu Tage.
12 zeigt die PN-Emissionen bezogen auf den Kraftstoffverbrauch bei 1600 U/Min. und 2 bar BMEP. Wie aus der Figur ersichtlich, gibt es einen Kompromiss zwischen DSF-PN-Emissionen und Kraftstoffverbrauch. Bei einem niedrigen Ausgangsbremsmoment haben kleinere FDs weniger Pumpverluste, so dass der BSFC mit abnehmender FD besser ist. Mit zunehmender Zylinderlast steigen jedoch auch die PN-Emissionen aufgrund längerer Kraftstoffeinspritzdauern. Die DSF ist in der Lage, an jedem Punkt der PN/BSFC-Kompromisskurve zu funktionieren. Die gezeigten Daten für eine FD von 1/3 beziehen sich auf eine Mehrimpulseinspritzung. Alle anderen Datenpunkte gelten für die Einzelimpulseinspritzung.
Während des DSF-Betriebs ändert sich die FD dynamisch basierend auf der Drehzahl, der Last, der Drehmomentanforderung und der Getriebeübersetzung der Kraftmaschine. Daher ist es auch wichtig sicherzustellen, dass eine eventuelle PN-Emissionsspitze während eines FD-Übergangs minimiert wird. Wie bereits erwähnt, kann die Reaktivierung eines Zylinders nach zwei oder mehr aufeinanderfolgenden abgeschalteten Zyklen zu hohen PN-Emissionen in der Prüfkraftmaschine führen, es sei denn, es wird eine geteilte Einspritzung verwendet.
13 zeigt die PN-Emissionen während eines Zündungsdichte-Übergangs von einer FD von 1 auf eine FD von 2/3 und zurück auf eine FD von 1 bei einer Kraftmaschinendrehzahl von 1600 U/Min. und einer Kraftmaschinenlast von 4 bar BMEP. Der FD-Verlauf wird durch die obere gestrichelte Linie dargestellt. Die PN-Emissionen sind während des Betriebs bei einer FD von 2/3 reduziert, und es treten beim Übergang auf eine FD von 2/3 oder aus dieser heraus keine PN-Spitzen auf. Während des Übergangs wird Einzelimpuls-Kraftstoffeinspritzung verwendet. Eine FD von 2/3 ist ein Muster, bei dem ein gegebener Zylinder einmal abgeschaltet und zweimal gezündet wird. Die Zylindertemperatur sinkt nicht so stark ab, dass bei einfacher Einspritzung eine PN-Spitze entsteht.
Während der in 13 gezeigte Übergang von einer Zündungsdichte von 1 auf 2/3 und zurück auf 1 keine PN-Emissionsspitze aufweist, wurde bei bestimmten Ausgängen aus einem festen Zündungsmuster eine PN-Emissionsspitze beobachtet. 14 zeigt beispielsweise die PN-Emissionscharakteristik beim Übergang von einer FD von 1 auf eine FD von 1/2 und zurück auf eine FD von 1 bei einer Kraftmaschinendrehzahl von 1600 U/Min. und einer Zylinderlast von 2,5 bar BMEP. In der Figur sind drei verschiedene Strategien der Kraftstoffeinspritzung dargestellt: Einzelimpuls, Zweifachimpuls und Dreifachimpuls. In 14 erfolgt der Übergang von einer Zündungsdichte von 1 auf eine Zündungsdichte von ½ bei etwa 4 Sekunden. Der Übergang von einer Zündungsdichte von ½ auf eine Zündungsdichte von 1 erfolgt 20 Sekunden später bei etwa 24 Sekunden.
Das auffälligste Merkmal von 14 ist die große PM-Emissionsspitze, die mit dem FD-Übergang von ½ auf 1 verbunden ist, wenn Einzelimpuls-Kraftstoffeinspritzung verwendet wird. Die PN-Emissionsspitze übersteigt 10,0 × 10⁶ Partikel/cm³, und bei Einzelimpulseinspritzung ist eine erhöhte PN-Emission für mehr als 10 Sekunden nach dem Übergang der Zündungsdichte zu sehen. Diese starke Zunahme der PN-Emissionen resultiert daraus, dass die Hälfte der Zylinder der Kraftmaschine für 20 Sekunden abgeschaltet wurde und sich dadurch deutlich abgekühlt hat. Im Allgemeinen sind Vorhandensein und Größe einer PN-Emissionsspitze davon abhängig, wie lange ein gegebener Zylinder abgeschaltet war. Bei kürzerer Deaktivierungsdauer reduziert sich die PN-Emissionsspitze. Die PN-Emissionen sind bei Verwendung der geteilten Einspritzung deutlich geringer. Die PN-Spitze kann mit der Zweifachimpuls-Einspritzung auf ca. 2,5 × 10⁶ Partikel/cm³ oder mit der Dreifachimpuls-Einspritzung sogar weiter auf ca. 1,0 × 10⁶ Partikel/cm³ reduziert werden.
Schiussfotserunsen
Die Auswirkungen der Kraftmaschinensteuerung mit dynamischer Zylinderabschaltung auf die Partikelemissionen einer beispielhaften aufgeladenen Kraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung wurden analysiert. Es wurden die folgenden Ergebnisse gefunden:

Bei gleicher Zylinderlast an zündenden Zylindern kann der Betrieb bei Zündungsdichten in Verbindung mit einer Steuerung mit dynamischer Zylinderabschaltung ähnliche PN-Emissionen pro Zylinder aufweisen.
Bei niedrigem Ausgangsdrehmoment der Kraftmaschine kann die DSF zündende Zylinder mit höheren Zylinderlasten betreiben und so zugleich den Kraftstoffverbrauch und die Partikelemissionen reduzieren.
Partikelemissionsspitzen beim Eintreten in bzw. Austreten aus Zündungsdichten in Verbindung mit einigen Zündungsdichten mit rotierendem Muster wurden nicht beobachtet. Zündungsdichte-Übergänge, die Zylinder reaktivieren, die in einem oder mehreren unmittelbar vorhergehenden Arbeitszyklen abgeschaltet wurden, können Partikelemissionsspitzen aufweisen. Vorhandensein und Größe einer Partikelemissionsspitze sind davon abhängig, wie lange ein gegebener Zylinder abgeschaltet war.
Die geteilte Einspritzung mit mehreren Kraftstoffimpulsen ist sehr effektiv bei der Reduzierung hoher Partikelemissionen für den oder die Reaktivierungszyklus/-zyklen eines abgeschalteten Zylinders. Darüber hinaus trägt die geteilte Einspritzung auch zur Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei, indem sie die Luft-Kraftstoff-Mischung während des/der Reaktivierungszyklus/-zyklen verbessert.

Die Erfindung wurde vorwiegend im Zusammenhang des Steuerns der Zündung in Viertakt-Kolbenmaschinen beschrieben, wie sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind. Es ist jedoch einzusehen, dass die beschriebenen Lösungsansätze für eine Zylinderabschaltung sehr gut für den Einsatz in einer breiten Palette verschiedener Brennkraftmaschinen geeignet sind. Hierzu zählen Kraftmaschinen praktisch jedes Fahrzeugtyps - PKW, LKW, Boote, Baugeräte, Luftfahrzeuge, Krafträder, Roller etc. sowie praktisch jede andere Anwendung, die das Zünden von Arbeitskammern beinhaltet und eine Brennkraftmaschine verwendet. Die verschiedenen beschriebenen Lösungsansätze funktionieren mit Kraftmaschinen, die in einer Vielzahl unterschiedlicher thermodynamischer Zyklen betrieben werden - hierzu zählen praktisch alle Arten von Zweitakt-Kolbenmaschinen, Dieselkraftmaschinen, Ottokraftmaschinen, Dualkraftmaschinen, Miller-Kraftmaschinen, Atkinson-Kraftmaschinen, Wankel-Kraftmaschinen und andere Arten von Kreiskolbenmotoren, Mischmotoren (etwa duale Otto- und Dieselkraftmaschinen), Sternmotoren etc. Es besteht außerdem die Überzeugung, dass die beschriebenen Lösungsansätze bei neu entwickelten Brennkraftmaschinen gute Ergebnisse erzielen werden, unabhängig davon, ob sie mit derzeit bekannten oder künftig zu entwickelnden thermodynamischen Zyklen betrieben werden.
Es wurden verschiedene Theorien in Bezug auf die Zylinderabkühlung vorgeschlagen, um die reduzierten PN-Emissionen bei einigen Zündungsdichten mit geteilter Kraftstoffeinspritzung zu erklären. Es ist jedoch einzusehen, dass die Verwendung der geteilten Einspritzung zur Reduzierung der PN-Emissionen nicht davon abhängt, dass diese Theorien korrekt sind, und dass andere Erklärungen für die Beobachtungen möglich sind. Die vorliegenden Ausführungsformen sind als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, und die Erfindung ist nicht auf die hier präsentierten Details beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs und der Äquivalente der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/724153 [0001]
US 7849835 [0022]
US 7886715 [0022]
US 7934474 [0022]
US 8099224 [0022]
US 8131445 [0022]
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US 8651091 [0022]
US 8839766 [0022]
US 8869773 [0022]
US 9399964 [0023]
US 15982406 [0076]

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder; ein Direkteinspritzventil; und eine Kraftmaschinensteuerung, die dafür ausgelegt ist: (a) den Zylinder während eines ersten Arbeitszyklus zu deaktivieren; (b) den Zylinder während eines zweiten Arbeitszyklus, der auf den ersten Arbeitszyklus folgt, zu aktivieren; und (c) das Einspritzventil anzuweisen, während des zweiten Arbeitszyklus zwei oder mehr Kraftstoffimpulse in den Zylinder einzuspritzen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kraftmaschinensteuerung eine Entscheidung, das Einspritzventil anzuweisen, die zwei oder mehr Impulse einzuspritzen, wenigstens teilweise basierend auf einer Zündhistorie des Zylinders trifft.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kraftmaschinensteuerung eine Entscheidung, das Einspritzventil anzuweisen, die zwei oder mehr Impulse während des zweiten Arbeitszyklus einzuspritzen, wenigstens teilweise basierend darauf trifft, ob eine Temperatur des Zylinders unter einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Kraftmaschinensteuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Einspritzventil anzuweisen, die zwei oder mehr Impulse während eines oder mehrerer aktiver Arbeitszyklen, die auf den zweiten Arbeitszyklus folgen, in den Zylinder einzuspritzen, bis die Temperatur des Zylinders die Schwellenwerttemperatur überschreitet.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Kraftmaschinensteuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Einspritzventil anzuweisen, nur einen einzelnen Impuls während eines nachfolgenden aktiven Arbeitszyklus, der auf die ein oder mehreren aktiven Arbeitszyklen folgt, in den Zylinder einzuspritzen, wenn die Temperatur des Zylinders die Schwellenwerttemperatur übersteigt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der zweite Arbeitszyklus einen Ansaughub, einen Verdichtungshub und einen Arbeitshub aufweist und ein erster Kraftstoffimpuls der zwei oder mehr Kraftstoffimpulse während des Ansaughubs eingespritzt wird und ein zweiter Kraftstoffimpuls der zwei oder mehr Kraftstoffimpulse entweder während des Ansaughubs, des Verdichtungshubs oder des Arbeitshubs eingespritzt wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder bzw. mehrere Direkteinspritzventile aufweist, wobei die Kraftmaschinensteuerung dafür ausgelegt ist, die mehreren Einspritzventile für jeden der mehreren Zylinder anzuweisen, die zwei oder mehr Kraftstoffimpulse während aktiver Arbeitszyklen, die auf deaktivierte Arbeitszyklen folgen, einzuspritzen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Kraftmaschinensteuerung eine Kraftmaschinensteuerung mit dynamischer Zylinderabschaltung ist, die dafür ausgelegt ist, die mehreren Zylinder je nach Zündgelegenheit dynamisch zu aktivieren bzw. zu deaktivieren, um wechselnden Drehmomentanforderungen während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs zu entsprechen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Kraftmaschinensteuerung mit dynamischer Zylinderabschaltung eine Kraftmaschinensteuerung mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung ist, wobei das Ausgangsdrehmoment der aktivierten Zylinder verschiedene Ausgangsdrehmomentstufen aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder aufweist und die Kraftmaschinensteuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Einspritzventil anzuweisen, zwei oder mehr Kraftstoffimpulse in alle reaktivierenden Zylinder der Brennkraftmaschine einzuspritzen, wenn ein DCCO (Deceleration Cylinder Cut-Off, vollständige Zylinderabschaltung im Schubbetrieb)-Modus verlassen wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der Zylinder in einem Arbeitszyklus, der dem ersten Arbeitszyklus unmittelbar vorausgeht, deaktiviert wurde, so dass dem zweiten Arbeitszyklus zwei deaktivierte Arbeitszyklen unmittelbar vorausgehen.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Brennkraftmaschine eine benzinbetriebene Kraftmaschine mit Funkenzündung ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, umfassend: Deaktivieren eines Zylinders der Brennkraftmaschine während einer ersten Zündgelegenheit; Reaktivieren des Zylinders während einer zweiten Zündgelegenheit, die auf die erste Zündgelegenheit folgt; und geteiltes Einspritzen von wenigstens zwei Kraftstoffimpulsen in den reaktivierten Zylinder während eines Arbeitszyklus, der der zweiten Zündgelegenheit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das geteilte Einspritzen der wenigstens zwei Kraftstoffimpulse in den reaktivierten Zylinder ferner umfasst, einen ersten Kraftstoffimpuls der zwei oder mehr Kraftstoffimpulse während eines Ansaughubs einzuspritzen und einen zweiten Kraftstoffimpuls der zwei oder mehr Kraftstoffimpulse entweder während des Ansaughubs, eines Verdichtungshubs oder eines Arbeitshubs einzuspritzen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend: (a) Ermitteln einer Betriebstemperatur des reaktivierten Zylinders; und (b) geteiltes Einspritzen der wenigstens zwei Kraftstoffimpulse in den reaktivierten Zylinder während des Arbeitszyklus, wenn die Betriebstemperatur unter einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend, (a) und (b) während eines oder mehrerer nachfolgender aktiver Arbeitszyklen, die auf den reaktivierten Arbeitszyklus folgen, zu wiederholen, bis die bestimmte Betriebstemperatur die Schwellenwerttemperatur übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, nachdem die bestimmte Betriebstemperatur die Schwellenwerttemperatur übersteigt, während des einen oder der mehreren nachfolgenden aktiven Arbeitszyklen einen einzelnen Kraftstoffimpuls in den reaktivierten Zylinder einzuspritzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-17, ferner umfassend, die Brennkraftmaschine in einem Modus mit dynamischer Zylinderabschaltung zu betreiben, wobei der Zylinder je nach Zündgelegenheit dynamisch entweder aktiviert oder deaktiviert wird, um wechselnden Drehmomentanforderungen während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs zu entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-18, ferner umfassend, die Brennkraftmaschine in einem Modus mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung zu betreiben, wobei: (a) der Zylinder je nach Zündgelegenheit dynamisch entweder aktiviert oder deaktiviert wird, und (b) ein Ausgangsdrehmoment des aktivierten Zylinders verschiedene Ausgangsdrehmomentstufen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-19, ferner umfassend das geteilte Einspritzen von wenigstens zwei Kraftstoffimpulsen in alle reaktivierten Zylinder der Brennkraftmaschine, nachdem ein DCCO (Deceleration Cylinder Cut-Off, vollständige Zylinderabschaltung im Schubbetrieb)-Modus verlassen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-20, wobei der Zylinder während einer vorhergehenden Zündgelegenheit vor der ersten Zündgelegenheit deaktiviert wird.
Kraftmaschinensteuerung, die dafür ausgelegt ist, eine Brennkraftmaschine, die mehrere Zylinder aufweist, zu betreiben, wobei die Kraftmaschinensteuerung dafür ausgelegt ist, zu entscheiden: (a) einen Zylinder in einigen Arbeitszyklen zu deaktivieren und den Zylinder in anderen Arbeitszyklen zu aktivieren; und (b) entweder eine einfache oder eine geteilte Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder während aktivierter Arbeitszyklen anzuweisen; wobei die Entscheidung, ob eine geteilte Einspritzung für einen gegebenen Arbeitszyklus verwendet werden soll, wenigstens teilweise darauf basiert, ob der Zylinder aufgrund der Deaktivierung des Zylinders während eines oder mehrerer vorheriger Arbeitszyklen in seiner Temperatur abgekühlt ist, so dass eine Betriebstemperatur des Zylinders niedriger als eine Schwellenwerttemperatur ist.
Kraftmaschinensteuerung nach Anspruch 22, wobei die Entscheidung, die geteilte Einspritzung für den gegebenen Arbeitszyklus zu verwenden, wenigstens teilweise auf der Zündhistorie des Zylinders basiert.
Kraftmaschinensteuerung nach Anspruch 22 oder 23, die ferner dafür ausgelegt ist, die Brennkraftmaschine in einem oder mehreren Modi mit reduziertem Hubraum zu betreiben, von denen jeder weniger als der volle Hubraum der Brennkraftmaschine ist, wobei die ein oder mehreren Modi mit reduziertem Hubraum durch eines der folgenden implementiert werden: (a) Deaktivieren einer Gruppe von einem oder mehreren der mehreren Zylinder; (b) Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Modus mit dynamischer Zylinderabschaltung, wobei eine Entscheidung, jeden der mehreren Zylinder entweder zu deaktivieren oder zu aktivieren, je nach Zündgelegenheit getroffen wird; oder (c) einen Modus mit dynamischer Mehrstufen-Zylinderabschaltung, wobei die Leistung jedes aktivierten Zylinders aus einer von mehreren verschiedenen Leistungsstufen ausgewählt wird.
Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, wobei der Zylinder mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitet, wobei das Verfahren umfasst: die Brennkraftmaschine so zu betreiben, dass der Zylinder in einigen Arbeitszyklen abgeschaltet und in anderen Arbeitszyklen gezündet wird; und während der Arbeitszyklen mit Zündung: ein erstes Kraftstoffeinspritzmuster zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder während einer ersten Teilmenge der Arbeitszyklen mit Zündung zu verwenden, oder ein zweites Kraftstoffeinspritzmuster zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder während einer zweiten Teilmenge der Arbeitszyklen mit Zündung zu verwenden, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzmuster von dem ersten Kraftstoffeinspritzmuster verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das erste Kraftstoffeinspritzmuster weniger Kraftstoffimpulse als das zweite Kraftstoffeinspritzmuster aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das erste Kraftstoffeinspritzmuster einen einzelnen eingespritzten Kraftstoffimpuls aufweist und das zweite Kraftstoffeinspritzmuster mehrere eingespritzte Kraftstoffimpulse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzmuster in Arbeitszyklen mit Zündung, die unmittelbar auf Arbeitszyklen mit Abschaltung folgen, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-28, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzmuster in Arbeitszyklen mit Zündung, die unmittelbar auf Arbeitszyklen mit Abschaltung folgen, und für eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen mit Zündung danach verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-29, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzmuster in Arbeitszyklen mit Zündung, die unmittelbar auf zwei oder mehr aufeinanderfolgende Arbeitszyklen mit Abschaltung folgen, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-30, wobei die Entscheidung, das erste Kraftstoffeinspritzmuster oder das zweite Kraftstoffeinspritzmuster zu verwenden, wenigstens teilweise auf einer Zündhistorie des Zylinders basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-31, wobei die Entscheidung, das erste Kraftstoffeinspritzmuster oder das zweite Kraftstoffeinspritzmuster zu verwenden, wenigstens teilweise auf einer Drehzahl und einer Last der Brennkraftmaschine basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-32, wobei die Entscheidung, das erste Kraftstoffeinspritzmuster oder das zweite Kraftstoffeinspritzmuster zu verwenden, wenigstens teilweise auf einer Temperatur des Zylinders basiert, wobei das zweite Kraftstoffeinspritzmuster gewählt wird, wenn die Temperatur des Zylinders unterhalb einer Schwellenwerttemperatur liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-33, wobei die Brennkraftmaschine eine Diesel-Kraftmaschine ist.