DE60029519T2

DE60029519T2 - Steuerung für Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung mit System zur Entlüftung von Kraftstoffdämpfen

Info

Publication number: DE60029519T2
Application number: DE60029519T
Authority: DE
Inventors: James Michael Trenton Kerns
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: US6230484B1; EP1074728A2; DE60029519D1; EP1074728A3; EP1074728B1

Description

Der Bereich der Erfindung bezieht sich auf Kraftstoffdampfabführung in fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung.
Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung wird der Motor bei bzw. bei fast voll geöffneter Drosselklappe betrieben, wenn er im Luft-Kraftstoff-Gemisch-Schichtbetrieb arbeitet, bei dem die Brennräume geschichtete Lagen unterschiedlicher Luft-Kraftstoff-Gemische enthalten. Die am nächsten an der Zündkerze liegende Schicht enthält ein stöchiometrisches Gemisch oder ein gegenüber Stöchiometrie leicht überfettetes Gemisch, und die folgenden Schichten enthalten allmählich magerere Gemische. Der Motor kann auch in einer Homogen-Betriebsart betrieben werden, nämlich mit einem homogenen Gemisch aus Luft und Kraftstoff, das durch frühes Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum während des Ansaughubes in dem jeweiligen Brennraum erzeugt wird. Der Homogenbetrieb kann mager, stöchiometrisch oder fett in bezug auf Stöchiometrie sein.
Motoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind auch mit herkömmlichen Dreiwegekatalysatoren verbunden, um CO-, HC- und NO_x-Emissionen zu senken. Wenn der Motor mit einem in bezug auf Stöchiometrie mageren Gemisch betrieben wird, ist normalerweise eine NO_x-Falle oder ein Katalysator stromunterhalb des Dreiwegekatalysators angeschlossen, um so die NO_x-Emissionen noch weiter zu senken.
Motoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind auch mit Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystemen gekoppelt, die eine Abführung der Kraftstoffdämpfe ermöglichen. Herkömmliche Systeme erlauben die Abführung von Kraftstoffdämpfen im Ladungsschichtbetrieb nur dann, wenn die Katalysatortemperatur hoch genug liegt, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. In anderen Worten: da der Kraftstoffdampf zusammen mit der Frischluftcharge eingeleitet wird, wird ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet. Wenn dann im Verdichtungshub Kraftstoff direkt eingespritzt wird, um eine geschichtete Ladung zu bilden, verbrennt nur der geschichtete Kraftstoff, weil das homogene Kraftstoffdampfgemisch zu mager ist. Daher kann dann unverbrannter Kraftstoff aus dem Motorzylinder austreten. Unter manchen Umständen kann es sein, daß zum Entfernen dieser Dämpfe der Katalysator über einer bestimmten Temperatur liegen muß, die dem Fachmann auf diesem Gebiet als Zündtemperatur bekannt ist. Die Abführung von Kraftstoffdämpfen während des Ladungsschichtbetriebes ist daher solange eingeschränkt, bis der Katalysator diese Zündtemperatur erreicht hat. Ein solches Verfahren ist in der US-Patentschrift 5,245,975 beschrieben.
Der Erfinder hat hierin einen Nachteil der obigen Vorgehensweise erkannt. Beim Betrieb mit Ladungsschichtung wird weniger wärme erzeugt, den Katalysator oder die NO_x-Falle auf die erforderliche Temperatur zu bringen oder zu halten. Es dauert daher nach einem Kaltstart lange, bis die Dampfabführung zugelassen wird. Bei manchen Katalysatorformulierungen oder Katalysatorauslegungen kann es auch sein, daß der Katalysator die Zündtemperatur unter bestimmten Bedingungen nicht hält, und daß Dampfabführung überhaupt nur im Homogenbetrieb möglich ist, so daß die Kraftstoffersparnis und die zulässige Abführungszeit verringert werden. In anderen Worten kann beim Betrieb im Ladungsschichtbetrieb die Temperatur des Katalysators oder der NO_x-Falle unter die Zündtemperatur fallen, wodurch die Dampfabführung verhindert und damit der Ladungsschichtbetrieb eingeschränkt wird.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird Regelverfahren für einen Motor mit mehreren Brennräumen gestellt, welche an einer Emissionsregelvorrichtung angeschlossen sind, welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Betrieb in einem Ladungsschichtbetrieb, in dem wenigstens ein Teil des Kraftstoffes während eines Kompressionshubes des Motors eingespritzt wird;
Abführen der Kraftstoffdämpfe aus einem Dampfrückgewinnungssystem in die Brennräume zur Bildung eines ausreichend mageren Gemisches, um unverbrannt durch die Brennräume zu fließen, so daß unverbrannte Kohlenwasserstoffe und überschüssiger Sauerstoff gestellt werden, die exotherm reagieren können und Wärme in der Emissionsregelvorrichtung erzeugen; und
Unterbrechen des besagten Ladungsschichtbetriebes, wenn eine Kraftstoffdampfabführungs-Ist-Menge kleiner als eine Kraftstoffdampfabführungs-Soll-Menge ist.
Durch die Abführung von Kraftstoffdämpfen während des Betriebes mit Ladungsschichtung werden die Kraftstoffdämpfe in den Zylinder eingeleitet und bilden dort ein homogenes Gemisch, das zur Verbrennung zu mager ist, selbst wenn der Motor im Ladungsschichtungsbetrieb arbeitet. Diese unverbrannten Kraftstoffdämpfe reagieren dann zusammen mit Sauerstoff aus dem unverbrannten Teil der eingeleiteten Charge exotherm in der Emissionsregelvorrichtung. Diese exotherme Reaktion erzeugt Wärme, die die Emissionsregelvorrichtung auf einen gewünschten Wert bringt. Um zündunwillige Dämpfe zu gewährleisten, können die maximalen Dampfabführungswerte begrenzt werden. Durch einen Vergleich der tatsächlichen Dampfabführungsmenge mit der Dampfabführungs-Soll-Menge zur Vermeidung von Sättigung kann der Ladungsschichtungsbetrieb unterbrochen werden, um eine zusätz liche Kraftstoffdampfabführung zu erlauben, so daß eine Sättigung des Kraftstoffdampfsystems vermieden wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Emissionsregelung.
Die Erfindung soll nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: ein Blockdiagramm einer Ausführungsform, in welcher die Erfindung vorteilhaft zum Einsatz gebracht wird; und
die 2–10: jeweils hochpegelige Flußdiagramme, welche je einen Teil des Betriebes der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigen.
Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung, welche mehrere Brennräume aufweist, wird von einer elektronischen Motorsteuerung 12 gesteuert. Ein Brennraum 30 des Motors 10 ist in 1 dargestellt und weist Brennraumwände 32 mit einem darin angeordneten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 auf. In diesem besonderen Beispiel beinhaltet der Kolben 30 eine (nicht dargestellte) Aussparung oder Mulde, die bei der Bildung geschichteter Ladungen von Luft und Kraftstoff hilft. Darstellungsgemäß kommuniziert der Brennraum 30 mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Auslaßkrümmer 48 jeweils über Einlaßventile 52a und 52b (nicht dargestellt) und Auslaßventile 54a und 54b (nicht dargestellt). Eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 ist in der Darstellung direkt mit dem Brennraum 30 gekoppelt, so daß sie proportional zur Pulsbreite eines über einen herkömmlichen elektronischen Treiber 68 von der Steuerung 12 her empfangenen Signals fpw flüssigen Kraftstoff direkt dort einspritzen kann. Kraftstoff wird der Kraftstoffeinspritzdüse 66 über ein (nicht dargestelltes) herkömmliches Hochdruck-Kraftstoffsystem zugeführt, das einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und ein Kraftstoffsammelrohr umfaßt.
Der Ansaugkrümmer 44 steht darstellungsgemäß über eine Drosselklappe 62 mit einem Drosselklappengehäuse 58 in Verbindung. In diesem besonderen Beispiel ist die Drosselklappe 62 mit einem Elektromotor 94 gekoppelt, so daß die Stellung der Drosselklappe 62 von der Steuerung 12 über diesen Elektromotor 94 gesteuert werden kann. Diese Ausgestaltung wird gemeinhin als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – electronic throttle control) bezeichnet, die auch für die Regelung der Leerlaufdrehzahl verwendet wird. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung, die dem Fachmann gut bekannt ist, ist ein Nebenluftkanal parallel zur Drosselklappe 62 angeordnet, um den Einlaßluftstrom während der Leerlaufdrehzahlregelung über ein im Nebenluftkanal angeordnetes Drosselventil zu steuern.
Ein Abgassauerstoffsensor 76 ist darstellungsgemäß an dem Auslaßkrümmer stromoberhalb des Katalysators 70 angeschlossen. In diesem besonderen Beispiel liefert der Sensor 76 ein UEGO-Signal an die Steuerung 12, welche das Signal UEGO in ein relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ wandelt. Das Signal UEGO wird vorteilhaft in herkömmlicher Weise als Rückmeldung bei der Luft-Kraftstoff-Regelung so eingesetzt, daß das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert gehalten wird.
Ein herkömmliches verteilerloses Zündsystem 88 liefert einen Zündfunken an den Brennraum 30 über eine Zündkerze 92 in Reaktion auf ein Zündungsfrühstellsignal SA von der Steuerung 12.
Die Steuerung 12 bewirkt, daß der Brennraum 30 entweder in der Betriebsart mit homogenem Luft-Kraftstoff-Gemisch oder in der Betriebsart mit geschichtetem Luft-Kraftstoff-Gemisch arbeitet, indem sie die Einspritzzeitpunkte entsprechend steuert. Im Ladungsschichtungsbetrieb aktiviert die Steuerung 12 die Kraftstoffeinspritzdüse 66 während des Verdichtungshubes des Motors, so daß Kraftstoff direkt in die Mulde im Kolben 36 eingespritzt wird. Dadurch werden geschichtete Luft-Kraftstoffschichten gebildet. Die am nächsten an der Zündkerze liegende Schicht enthält ein stöchiometrisches Gemisch oder ein gegenüber Stöchiometrie leicht überfettetes Gemisch, und die folgenden Schichten enthalten allmählich magerere Gemische. Im Homogenbetrieb aktiviert die Steuerung 12 die Kraftstoffeinspritzdüse 66 während des Ansaughubes, so daß ein im wesentlichen homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird, wenn der Zündstrom vom Zündsystem 88 an die Zündkerze 92 angelegt wird. Die Steuerung 12 steuert die an die Kraftstoffeinspritzdüse 66 abgegebene Kraftstoffmenge so, daß das homogene Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 30 derart gewählt werden kann, daß es stöchiometrisch ist oder einen gegenüber Stöchiometrie fetten Wert oder aber einen gegenüber Stöchiometrie mageren Wert aufweist. Das geschichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch liegt immer auf einem gegenüber Stöchiometrie mageren Wert, wobei das exakte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine Funktion der Kraftstoffmenge ist, die an den Brennraum 30 abgegeben wird. Eine zusätzliche geteilte bzw. Mischbetriebsart, bei welcher Kraftstoff während des Auspufftaktes eingespritzt wird, während der Motor mit geschichteter Ladung betrieben wird, ist auch verfügbar. Ebenso ist eine zusätzliche geteilte bzw. Mischbetriebsart verfügbar, bei welcher Kraftstoff während des Ansaugtaktes eingespritzt wird, während der Motor mit geschichteter Ladung betrieben wird, so daß dann ein kombinierter homogener und geteilter Betrieb verfügbar ist.
Ein Stickstoffoxyd-(NO_x)-Absorptionskörper oder -"Falle" ist in der Darstellung stromunterhalb des Katalysators 70 angeordnet. Die NO_x-Falle 72 absorbiert NO_x, wenn der Motor 10 mager gegenüber Stöchiometrie arbeitet. Das absorbierte NO_x wird dann in einem NO_x-Abführungszyklus mit HC zur Reaktion gebracht, wenn die Steuerung 12 den Motor veranlaßt, entweder in einer fett-homogenen Betriebsart oder einer stöchiometrisch-homogenen Betriebsart zu arbeiten.
In der 1 ist die Steuerung 12 als herkömmlicher Mikrocomputer dargestellt, folgendes beinhaltend: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsschnittstellen 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, hier als Schreib- und Lesespeicher (RAM) 108 dargestellt, einen Haltespeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus.
Die Steuerung 12 empfängt darstellungsgemäß verschiedene Signale von am Motor 10 angeschlossenen Sensoren, zusätzlich zu den oben schon besprochenen Signalen, folgende beinhaltend: einen Meßwert des Einlaßluftmengenstromes (MAP) von einem am Drosselklappenkörper 58 angeschlossenen Einlaßluftmengenstromsensor 100; die Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem am Kühlmantel 114 angeschlossenen Temperatursensor 112; ein Zündprofilgebersignal (PIP) von einem an der Kurbelwelle 40 angreifenden Hall-Sensor 118; die Drosselklappenstellung TP vom Drosselklappenstellungssensor 120; und das Ansaugkrümmer-Absolutdrucksignal MAP von Sensor 122. Die Motordrehzahl RPM wird von der Steuerung 12 anhand des PIP-Signals in herkömmlicher Art und Weise erzeugt, und das Ansaugkrümmerdrucksignal MAP liefert eine Angabe über die Last des Motors.
In diesem besonderen Beispiel werden die Temperatur Tcat des katalytischen Wandlers oder Katalysators 70 und die Temperatur Ttrp der NO_x-Falle 72 aus dem Motorbetrieb abgeleitet, wie es die US-Patentschrift Nr. 5,414,994 beschreibt, auf welche Schrift hierin zur Bezugnahme verwiesen wird. In einer alternativen Ausführungsform wird die Temperatur Tcat von einem Temperatursensor 124 und die Temperatur Ttrp von einem Temperatursensor 126 geliefert.
Das Kraftstoffsystem 130 ist über ein Röhre 132 mit dem Ansaugkrümmer 44 gekoppelt. (Nicht dargestellte) Kraftstoffdämpfe im Kraftstoffsystem 130 strömen durch die Röhre 132 und werden von einem Abführungsventil 134 gesteuert. Das Abführungsventil 134 erhält sein Steuersignal PRG von der Steuerung 12.
Erzeugung von Wärme in einer Emissionsregelvorrichtung
In einer Emissionsregelvorrichtung erzeugte Wärme kann vorteilhaft zum Beispiel dazu genutzt werden, die Temperatur der Vorrichtung rasch zu erhöhen, um beim Kaltstart schneller die Zündtemperatur zu erreichen, oder die Temperatur der Vorrichtung so zu steuern, daß ein optimaler Wandlungsgrad erzielt wird, die Vorrichtung zu klären, um Schwefelverunreinigungen abzuführen, oder zu vielen anderen Anwendungen, wo es von Vorteil ist, in der Vorrichtung Wärme zu erzeugen. Wärme wird in der Vorrichtung dadurch erzielt, daß unverbrannte Kraftstoffdämpfe (HC) aus dem Kraftstoffsystem 130 zusammen mit überschüssigem Sauerstoff aus der mageren Verbrennung bereitgestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Motor in einem Ladungsschichtbetrieb betrieben wird, und daß Kraftstoffdämpfe während des Ansaughubes eingeleitet werden, so daß ein homogenes Kraftstoffdampfgemisch bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis gebildet wird, bei dem eine Verbrennung der Kraftstoffdämpfe nicht stattfindet. Die Kraftstoffdämpfe wandern daher unverbrannt durch den Zylinder und reagieren exotherm mit dem Sauerstoffüberschuß, da das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis noch immer auf der mageren Seite gegenüber Stöchiometrie liegt.
Der vorliegenden Erfindung zufolge kann die Vorrichtung jede beliebige Emissionsregelvorrichtung sein, wie z.B. ein Dreiwegekatalysator oder eine NO_x-Falle. In der in 1 beschriebenen Ausführungsform ist die stromaufwärtige Vorrichtung der Katalysator 70. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsform kann die stromaufwärtige Vorrichtung die Falle 72 sein.
Begrenzung der Kraftstoffdampfabführung anhand der Temperatur der Emissionsregelvorrichtung
Zur Maximierung der durch die exotherme Reaktion von Kraftstoffdampf und überschüssigem Sauerstoff erzeugten Wärme sollte die Emissionsregelvorrichtung über einem unteren Schwellenwert, aber auch unter einem oberen Schwellenwert liegen. Der untere Schwellenwert stellt die Temperatur dar, über welcher exotherme Reaktionen unterstützt werden. Dabei ist anzumerken, daß diese Schwellentemperatur zur Unterstützung exothermer Reaktionen von der Zündtemperatur verschieden ist, da die Zündtemperatur diejenige Temperatur ist, bei welcher die Emissionsregelvorrichtung einen hohen Wirkungsgrad bei der Wandlung bestimmter Verbindungen in andere Verbindungen erreicht, so daß bestimmte, gesetzlich überwachte Emissionen reduziert werden.
Der obere Schwellenwert stellt eine Temperatur dar, bei welcher die Emissionsregelvorrichtung einen hohen Wirkungsgrad erreicht und keine zusätzliche Wärme mehr braucht. Dabei ist anzumerken, daß der obere Schwellenwert gleich der Zündtemperatur sein kann. Außerdem sind der obere und der untere Schwellenwert eine Funktion der chemischen Zusammensetzung der aufgeschlämmten bzw. "Washcoat-"Beschichtung im Katalysator.
Berechnung der Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder
Zur Berechnung der Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) wird zunächst die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_f) vom Kraftstoffdampfsystem gemäß folgender Gleichung berechnet:
Die Kraftstoffdampfkonzentration je Zylinder (ρ_fc) wird wie folgt berechnet:
worin (ṁ_p) der Gesamt-Abführungsmengenstrom ist, (ṁ_f) der tatsächliche bzw. Ist-Kraftstoffmengenstrom von den Kraftstoffeinspritzdüsen ist, (ṁ_a) die Frischluftcharge ist, gemessen durch den Luftmengenstrommesser, (λ) das gemessene relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den Abgasen ist, und S das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_f) wird damit anhand des aus dem Kraftstoffdampfsystem abgehenden Abführungs-Gesamtmengenstromes (ṁ_p) berechnet, der vom Luftdurchflußmesser gemessenen Frischluftcharge (ṁ_a), des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den Abgasen (λ), des Kraftstoffdurchsatzes an den Kraftstoffeinspritzdüsen (ṁ_f) und des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses S. Die Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) wird dann ausgehend von der Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_f), dem Gesamt-Abführungsmengenstrom (ṁ_p) und der mit dem Luftdurchflußmesser gemessenen Frischlufteinlaßcharge (ṁ_a) berechnet.
Auf diese Weise und gemäß den oben dargelegten Gleichungen wird ausgehend von den verfügbaren Informationen die Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) berechnet und kann dann vorteilhaft genutzt werden. Zum Beispiel kann die berechnete Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) dazu verwendet werden, unter Einsatz charakteristischer Beziehungen zwischen Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration und bestimmten, gesetzlichen Regelungen unterliegenden Emissionen, die zu erwartenden Emissionswerte zu schätzen. Außerdem kann die Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) dazu verwendet werden, zahlreiche Motorsteuersignale zu berechnen, wie z.B. die Einstellung des Zündzeitpunktes oder die Einstellung der Einspritzzeitpunkte beim Ladungsschichtbetrieb. Beim geteilten bzw. Mischbetrieb z.B., wo mit dem abgesaugten Kraftstoffdampf ein homogenes Gemisch gebildet wird, und mit der Kraftstoff-Direkteinspritzung die Ladungsschichtung gebildet wird, wird die Einspritzung während des Verdichtungshubes zur Bildung der Ladungsschichtung anhand der Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration so eingestellt, daß das maximale Drehmoment erreicht wird.
Begrenzung der Kraftstoffdampfabführung anhand der Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration
Zur Erzeugung von Wärme in der Emissionsregelvorrichtung durch die exotherme Reaktion von Kraftstoffdampf und überschüssigem Sauerstoff muß der Kraftstoffdampf unverbrannt durch den Zylinder gelangen. Um zu gewährleisten, daß der Kraftstoffdampf unverbrannt durchströmt, wird die Kraftstoffdampf konzentration im Zylinder durch eine maximal zulässige Abführungskonzentration (ρ_fcMAX) begrenzt. In anderen Worten, die berechnete Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) kann mit der maximal zulässigen Abführungskonzentration (ρ_fcMAX) verglichen und dazu benutzt werden, den Gesamtmengenstrom der Kraftstoffdampfabführung (ṁ_p) zu begrenzen. Wenn man die berechnete Zylinder-Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) über den zulässigen Maximalwert oder kritischen Wert (ρ_fcMAX) ansteigen läßt, kann sogar eine Änderung des Motordrehmoments hervorgerufen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher der maximal zulässige bzw. kritische Wert des Gesamt-Abführungsmengenstromes (ṁ_pcrit) wie folgt gegeben:
Um zu verhindern, daß die Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) den maximal zulässigen bzw. kritischen Wert (ρ_fcMAX) übersteigt, wird das Abführungsventil 134 also so gesteuert, daß es den Gesamt-Abführungsmengenstrom (ṁ_p) auf den maximal zulässigen bzw. kritischen Wert des Gesamt-Abführungsmengenstromes (ṁ_pcrit) begrenzt. Auf dieser Weise durchläuft der abgeführte Kraftstoffdampf den Zylinder unverbrannt und ermöglicht eine exotherme Reaktion in einer Emissionsregelvorrichtung und verhindert Motordrehmomentänderungen.
Wenn die Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) die maximal zulässige Abführungskonzentration (ρ_fcMAX) überschreitet, wird zusätzliches Motordrehmoment erzeugt, weil ein Teil der Kraftstoffdämpfe während des Arbeitstaktes des Motors verbrennt. Unter diesen Umständen werden andere Motorsteuervariablen eingesetzt, um das Motordrehmoment konstant zu halten, zum Beispiel die Frischluftcharge, Zündeinstellung, Abgasrückführung, Kraftstoffeinspritzmenge, Kraftstoffeinspritzzeiten und/oder verstellbare Nockensteuerzeiten. So kann z.B. eine schnelle Motordrehmomentregelung dadurch erreicht werden, daß die Zündzeiten oder die Kraftstoffeinspritzmenge verstellt werden. Insbesondere kann, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge verwendet wird, die Höhe der Kraftstoffeinspritzmengenanpassung durch Schätzen einer an der Verbrennung teilnehmenden Kraftstoffdampfabführungsmenge bestimmt werden, und durch Abziehen dieser Menge von der normalen Kraftstoffeinspritzmenge. Die folgende Gleichung zeigt diese Berechnung, worin fia_c die korrigierte Kraftstoffeinspritzmenge ist, fia die normale Kraftstoffeinspritzmenge ist (wenn die Kraftstoffdampfabführung die maximal zulässige Konzentration nicht überschreitet), und fvp_b die Menge an abgeführtem Kraftstoffdampf ist, die verbrannt wird (und unter Einsatz vorgegebener Karten oder Kennfelder bestimmt wird, welche sich darauf beziehen, wie weit die Kraftstoffdampfabführungs-Ist-Konzentration die maximal zulässige Konzentration überschreitet): fia_c = fia – fvp_b
Wird die eine oder die andere Motorsteuervariable eingesetzt, können das Motordrehmoment in Relation zur jeweiligen Steuervariable setzende, vorgegebene Kennfelder verwendet werden, um ein konstantes Motordrehmoment einzuhalten.
Unterbrechung der Schichtbetrieb-Kraftstoffdampfabführung
In manchen Fällen kann die auf einer maximal zulässigen Kraftstoffdampfkonzentration pro Zylinder basierende Begrenzung der Kraftstoffdampfabführung zu einer nicht mehr ausreichenden Abführung führen, um ein Kraftstoffdampfsystem noch vor Sättigung zu schützen. So ist es in manchen Fällen erforderlich, die Schichtbetrieb-Kraftstoffdampfabführung zu unterbrechen, wenn der tatsächliche begrenzte Kraftstoffdampfabführungswert kleiner als ein Sollwert ist. In diesem Fall kann entweder eine geteilte oder Mischbetriebsart oder eine homogene Betriebsart gewählt werden, um weiter die maximale Kraftstoffdampfabführung zu erlauben, wo der abgezogene Kraftstoffdampf im Zylinder ver brannt wird.
Wenn zum Beispiel die Kraftstoffdampfabführungs-Ist-Menge (begrenzt oder in irgendeiner Weise gekappt, oder mittels Temperatursteuerung bestimmt, wie weiter unten noch erläutert wird) kleiner als eine erforderliche Mindestmenge ist, wird der Betrieb, bei dem abgeführter Kraftstoffdampf unverbrannt durch den Zylinder wandert, unterbrochen. Der Motor schaltet dann entweder auf einen reinen Homogenbetrieb oder einen geteilten bzw. Mischbetrieb, wo die Abführung nicht begrenzt oder gekappt wird, und eine erhöhte Kraftstoffdampfabführung möglich ist. In diesen Betriebsarten wird abgeführter Kraftstoffdampf im Zylinder verbrannt und erzeugt keine exotherme Reaktion im Katalysator.
Verwendung des Kraftstoffdampfes im Zylinder zur Steuerung der Temperatur der Emissionsregelvorrichtung
Wie weiter oben schon erwähnt, kann durch die Abführung von Kraftstoffdämpfen im Ladungsschichtbetrieb erzeugte Wärme dazu genutzt werden, die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung zu steuern, wenn die exotherme Reaktion stattfindet. Die Höhe der Kraftstoffdampf-Abführungsmenge, die proportional zur exothermen Wärmeerzeugung in der Emissionsregelvorrichtung ist, kann z.B. so gesteuert werden, daß eine gewünschte oder Soll-Temperatur der Emissionsregelvorrichtung eingehalten wird. Wenn die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung unter einem Sollwert liegt, und der Motor mit Ladungsschichtung betrieben wird, kann Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffsystem 130 in den Zylinder eingeleitet werden und unverbrannt bis zur Emissionsregelvorrichtung strömen. Dort reagiert der Kraftstoffdampf dann exotherm mit der Emissionsregelvorrichtung und erzeugt dabei Wärme, die die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung erhöht. Wenn sich die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung dem gewünschten bzw. Sollwert nähert, wird weniger abgeführter Kraftstoffdampf eingeleitet, so daß die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung zum Sollwert hin konvergiert.
Fallabhängige Kraftstoffdampfabführung anhand der Temperatur der Emissionsregelvorrichtung
Wenn sich die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung in einem unteren Teil eines akzeptierbaren Bereiches bewegt, kann die Kraftstoffdampfabführung von einer Kraftstoffdampfabführungsgelegenheit profitieren. In anderen Worten, wenn Kraftstoffdampf abgezogen werden muß, weil der Kraftstoffdampfspeicher seinen Sättigungsgrad erreicht hat, kann die Kraftstoffdampfabführung aktiviert werden, solange die Emissionsregelvorrichtung eine erhöhte Temperatur unterstützt. Auf diese Weise läßt sich eine längere Kraftstoffdampfabführungszeit erzielen, während gleichzeitig die Emissionsregelvorrichtung innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen gehalten wird.
Verwendung der Kraftstoffdampfkonzentration zur Regelung der Temperatur einer zweiten Emissionsregelvorrichtung stromunterhalb einer ersten Emissionsregelvorrichtung
Zusätzlich dazu kann während des Ladungsschichtbetriebes durch Abführen von Kraftstoffdämpfen erzeugte Wärme zur Regelung der Temperatur einer zweiten Emissionsregelvorrichtung stromunterhalb der Emissionsregelvorrichtung, in welcher die exotherme Reaktion stattfindet, verwendet werden. In anderen Worten, die in der stromaufwärtigen Vorrichtung erzeugte Wärme beeinflußt auch die Temperatur der stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung und kann daher zur Regelung der Temperatur dieser stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung genutzt werden.
Während die Temperatur der stromabwärtigen Vorrichtung geregelt wird, sind Begrenzungen der Regelautorität zur Begrenzung der exothermen Reaktion in der stromaufwärtigen Vorrichtung nötig, um zu verhindern, daß die Temperatur in der stromaufwärtigen Vorrichtung über eine maximal zulässige Temperatur für diese Vorrichtung klettert. In dieser Ausführungsform wird die Kraftstoffdampfabführung gemäß einer Differenz zwischen einer minimalen Soll-Temperatur für die stromabwärtige Emis sionsregelvorrichtung und einer Ist-Temperatur der stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung geregelt.
Es ist auch eine kombinierte Temperaturregelung möglich, wo die Kraftstoffdampfabführung so gesteuert wird, daß die Temperatur sowohl der stromaufwärtigen als auch der stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung gehalten wird. In dieser Ausgestaltung wird der Kraftstoffdampf sowohl entsprechend der Differenz zwischen einer minimalen Soll-Temperatur für die stromabwärtige Emissionsregelvorrichtung und der Ist-Temperatur dieser stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung gesteuert, als auch entsprechend der Differenz zwischen einer minimalen Soll-Temperatur für die stromaufwärtige Emissionsregelvorrichtung und der Ist-Temperatur dieser stromaufwärtigen Emissionsregelvorrichtung.
Unterbrechung der Schichtbetrieb-Kraftstoffdampfabführung anhand der zur Erzeugung des momentanen Soll-Drehmoments eingesetzten Gesamtkraftstoffmenge
Durch Einspritzen von Kraftstoffdämpfen in den Motor während des Betriebes im Ladungsschichtungsmodus, und dadurch, daß man sie unverbrannt durchströmen läßt, um die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung zu halten, wird der Ladungsschichtungsbetrieb erweitert, so daß der Vorteil einer Kraftstoffeinsparung erzielt wird. Wenn aber die in dieser Betriebsart verbrauchte Kraftstoffgesamtmenge einschließlich der Kraftstoffdämpfe und des zur Bildung der brennbaren Schichten eingespritzten Kraftstoffes größer als die Kraftstoffmenge ist, die im Homogenbetrieb zur Erzeugung des gleichen Motordrehmomentes verbraucht würde, dann bedeutet der Ladungsschichtbetrieb Einbußen in der Kraftstoffersparnis. Anders ausgedrückt, wenn der Ladungsschichtbetrieb wegen dem zur Einhaltung der Temperatur der Emissionsregelvorrichtung eingespritzten Kraftstoffdampf keine Kraftstoffeinsparung mehr bietet, wird die Luft-Kraftstoffnutzart des Motors umgeschaltet auf Homogenbetrieb, so daß die Kraftstoffersparnis maximiert wird. Zusätzlich dazu wird Kraftstoffdampfabführung während dem Homogenbetrieb weiter zugelassen, da der zusätzliche Kraftstoffdampf verbrennt und Motordrehmoment erzeugt.
Zur Bestimmung der Betriebsart wird das folgende Kriterium angewendet: ρfṁp + ṁf > ṁfstoich worin (ṁ_fstoich) die im Homogenbetrieb erforderliche Kraftstoffmenge ist, um ein gleichhohes Motordrehmoment wie dasjenige zu liefern, das aus dem tatsächlichen Kraftstoff-Mengenstrom aus den Kraftstoffeinspritzdüsen, (ṁ_f), im ladungsgeschichteten Betrieb resultiert. Wenn der Motor auf den Homogenbetrieb umschaltet, erhält man den neuen Kraftstoff-Mengenstrom für die Kraftstoffeinspritzdüsen, (ṁ_fh), aus folgender Gleichung: ṁfh = ṁfstoich – ρfṁp wenn die Kraftstoffdampfabführung im Homogenbetrieb weitergeführt wird.
Es sei nun Bezug genommen auf 2, wo eine Routine zur Regelung der Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 beschrieben ist. Zunächst wird in Schritt 210 ermittelt, ob der Motor 10 im Ladungsschichtungsbetrieb arbeitet, wo Kraftstoff während des Verdichtungshubes direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Ist die Antwort in Schritt 210 JA, wird bestimmt, ob die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zwischen den Schwellenwerten T1 und T2 liegt. Der Schwellenwert T2 stellt einen oberen Wert dar, oberhalb welchem der Katalysator 70 mit dem höchsten Wirkungsgrad arbeitet, so daß eine Regelung der Temperatur (Tcat) nicht notwendig ist. Die Schwellentemperatur T1 stellt einen unteren Wert dar, unterhalb welchem der Katalysator 70 keine exotherme Reaktion zwischen den unverbrannten Kraftstoffdämpfen und dem Sauerstoffüberschuß unterstützt. Wenn sich die Katalysatortemperatur Tcat innerhalb dieses Bereiches bewegt, dann geht die Routine weiter zu Schritt 214, wo die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder berechnet wird, wie weiter unten noch mit besonderer Bezugnahme auf 3 beschreiben werden soll.
Weiter mit Bezug auf 2 wird in Schritt 216 ein Temperaturfehler (e) berechnet, und zwar ausgehend von einer Soll-Temperatur (Td) des Katalysators 70 und der momentanen Ist-Temperatur (Tcat) des Katalysators 70. In Schritt 218 wird dann ein Ausgangsregelwert (PRG_temp) anhand einer Funktion (f) des Fehlers (e) berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Funktion (f) einen Proportional-Integral-Differentialregler dar, der dem Fachmann auch als PID-Regler bekannt ist. In Schritt 220 wird dann der Ausgangsregelwert (PRG_temp) ausgehend von der berechneten Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder amplitudenbegrenzt bzw. "gekappt", wie weiter unten noch mit besonderem Bezug auf 4 beschrieben werden soll. Dieser Vorgang verhindert, daß die Temperatursteuerung zuviel Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffsystem 130 einleitet und eine zündfähige Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder erzeugt. Schließlich wird in Schritt 222 anhand des gekappten Wertes (PRG_c) ein Regelsignal PRG berechnet.
Mit Bezug auf 3 soll nun eine Routine zur Berechnung der Konzentration der Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffsystem 130 (ρ_f) und der Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) beschrieben werden. Zuerst wird in Schritt 310 die Konzentration der Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstoffsystem 130 wie folgt berechnet:
Dann wird in Schritt 312 die Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder (ρ_fc) wie folgt berechnet:
worin (ṁ_p) der Abführungs-Gesamtmengenstrom ist, (ṁ_f) der Kraftstoffmengenstrom aus den Kraftstoffeinspritzdüsen ist, (ṁ_a) die vom Luftstrommesser gemessene Frischluftcharge ist, λ das verfügbare relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wie es vom UEGO-Sensor gemessen wird, und S das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Der Gesamt-Abführungsmengestrom (ṁ_p) wird anhand des vorangehenden PRG-Signals bestimmt, wo: ṁp = g(PRG)worin (g) eine vorgegebene Funktion ist, welche das Regelsignal PRG in Relation zum Gesamt-Abführungsmengestrom (ṁ_p) setzt. Auf diese Weise ist es möglich, die tatsächliche Kraftstoffdampfkonzentration aus dem Kraftstoffsystem 130 und die Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder anhand der verfügbaren Messungen zu schätzen.
Mit Bezug auf 4 wird in Schritt 410 ermittelt, ob die Abführungsdampfkonzentration größer als die maximal zulässige Abführungsdampfkonzentration (ρ_fcMAX) ist, um sicherzustellen, daß die Kraftstoffdämpfe unverbrannt durch den Zylinder gehen und im Katalysator 70 exotherm reagieren. Ein Sicherheitsfaktor SF ist ebenfalls mit eingeschlossen. Wenn die Antwort auf Schritt 410 NEIN ist, wird der gekappte Regelwert (PRG_c) in Schritt 412 auf den Ausgangsregelwert (PRG_temp) eingestellt. Wenn die Konzentration kleiner als diejenige ist, die im Zylinder verbrennen kann, wird der Temperatursteuerung gemäß 2 die volle Autorität zur Änderung der Kraftstoffdampf-Durchsatzsteuerung über das Ventil 134 überlassen.
Weiter mit Bezug auf 4 wird, wenn die Antwort auf Schritt 410 JA ist, ein kritischer Abführungsmengenstrom (ṁ_pcrit) nach folgender Gleichung errechnet:
Dieser Wert stellt den maximal zulässigen Abführungs-Gesamtmengenstrom dar, der noch eine zündunfähige Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder ergibt. Als nächstes wird in Schritt 416 das maximal zulässige Steuersignal (PRG_MAX) berechnet, ausgehend von dem kritischen Abführungsmengenstrom (ṁ_pcrit) und dem Kehrwert der Funktion (g). Schließlich wird in Schritt 418 der gekappte Wert (PRG_c) gleich dem maximal zulässigen Steuersignal (PRG_MAX) gesetzt. Dies verhindert, daß die in der 2 beschriebene Temperaturregelung eine Kraftstoffdampfkonzentration in den Zylinder einströmen läßt, die verbrennt und Drehmoment erzeugt. Auf diese Weise ist das System in der Lage, die Katalysatortemperatur zu regeln, und gleichzeitig im Ladungsschichtbetrieb zu bleiben, und so das Verbrennungsdrehmoment konstant zu halten.
Mit Bezug auf 5 soll nun eine alternative Ausführungsform beschrieben werden, bei welcher abgesaugte Dämpfe während des Betriebes mit Ladungsschichtung so gesteuert werden, daß die Temperatur (Ttrp) einer NO_x-Falle 72 stromunterhalb des Katalysators 70 gehalten wird. Zunächst wird in Schritt 510 bestimmt, ob der Motor 10 in einer Betriebsart mit Ladungsschichtung arbeitet, wo Kraftstoff während eines Verdichtungshubes direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Wenn die Antwort auf Schritt 510 JA ist, wird in Schritt 512 bestimmt, ob die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zwischen den Schwellenwerten T1 und T2 liegt. Schwellenwert T2 stellt dabei eine obere Grenze dar, oberhalb welcher der Katalysator 70 mit seinem größten Wirkungsgrad arbeitet. Die Temperaturschwelle T1 wiederum stellt einen unteren Wert dar, unterhalb welchem der Katalysator 70 keine exotherme Reaktion zwischen unverbrannten Kraftstoffdämpfen und überschüssigem Sauerstoff unterstützen kann. In einer alternativen Ausführungsform können die Schwellenwerte T1 und T2 Schwellentemperaturen der NO_x-Falle 72 darstellen. In dieser alternativen Ausführungsform kann die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zum Beispiel aufgrund der chemischen Besonderheiten der Washcoat-Beschichtung zu tief sein, eine exotherme Reaktion zu unterstützen. Die NO_x-Falle 72 dagegen kann sich dann in einem Temperaturbereich befinden, in dem sie eine exotherme Reaktion unterstützt, weil sie eine andere Washcoat-Formulierung hat. Daher kann der Temperaturbereich, in dem die Abführung während des Ladungsschichtbetriebes zugelassen wird, in dieser alternativen Ausführungs form sowohl auf der Temperatur Tcat als auch auf Ttrp basieren.
Wenn die Katalysatortemperatur Tcat innerhalb dieses Bereiches liegt, oder wenn in der alternativen Ausführungsform die Temperatur Ttrp der Falle in diesem Bereich liegt, geht die Routine weiter zu Schritt 513, wo bestimmt wird, ob die Temperatur Ttrp der Falle kleiner als eine Regel-Schwellentemperatur Tt1 ist. Ist die Antwort in Schritt 512 JA, geht die Routine weiter zu Schritt 513, wo die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder, wie weiter oben mit besonderem Bezug auf die 3 beschrieben, berechnet wird.
Weiter mit Bezug auf 5 wird in Schritt 516 ein Temperaturfehler (e) berechnet, ausgehend von einer Soll-Temperatur (Td) der NO_x-Falle 72 und der Ist-Temperatur (Ttrp) dieser NO_x-Falle 72. Dann wird in Schritt 518 ausgehend von einer Funktion (f) des Fehlers (e) ein Ausgangsregelwert (PRG_temp) berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Funktion (f) einen Proportional-Integral-Differentialregler dar, der dem Fachmann in der Technik auch als PID-Regler bekannt ist. Dann wird in Schritt 520 der Ausgangsregelwert (PRG_temp) anhand der berechneten Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder, wie weiter oben mit besonderem Bezug auf die 4 beschrieben, amplitudenbegrenzt bzw. "gekappt". Dieser Vorgang verhindert, daß die Temperaturregelung zuviel Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffsystem 130 zuschlägt und eine zündfähige Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder erzeugt. Schließlich wird in Schritt 522 das gekappte Regelsignal (PRG_c) anhand der Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 begrenzt, wie weiter unten noch mit besonderer Bezugnahme auf 6 oder 8 beschrieben werden soll.
Es sei nun Bezug genommen auf 6, wo eine Routine zur Begrenzung des gekappten Regelsignals (PRG_c) beschrieben wird, so daß die Temperatur (Ttrp) der NO_x-Falle 72 auf den gewünschten bzw. Sollwert eingeregelt werden kann, während verhindert wird, daß die Temperatur (Tcat) zu hoch ansteigt. Zuerst wird in Schritt 610 bestimmt, ob die Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 kleiner als eine maximal zulässige Temperatur (TuMAX) ist. Wenn die Antwort in Schritt 610 JA lautet, wird ausgehend von dem gekappten Wert (PRG_c) ein Regelsignal PRG berechnet. Ansonsten wird das Regelsignal PRG ausgehend von dem gekappten Wert (PRG_c) und einer Funktion (f2) der maximal zulässigen Temperatur (TuMAX) und der Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Funktion (f2) einen Proportional-Integral-Differentialregler dar, der dem Fachmann in der Technik auch als PID-Regler bekannt ist.
Mit Bezug auf 7 soll nun eine weitere alternative Ausführungsform beschrieben werden, wo abgesaugte Dämpfe während des Betriebes im Ladungsschichtbetrieb so gesteuert werden, daß sowohl die Temperatur (Ttrp) der NO_x-Falle 72 stromabwärts als auch die Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 gehalten werden. Zuerst wird in Schritt 710 bestimmt, ob der Motor in einem Ladungsschichtbetrieb arbeitet, wo Kraftstoff während eines Verdichtungshubes direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Wenn die Antwort in Schritt 710 JA ist, geht die Routine weiter zu Schritt 514, wo die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder, wie weiter oben mit besonderem Bezug auf die 3 beschrieben, berechnet wird. Dann wird in Schritt 712 bestimmt, ob die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zwischen Grenzwerten T1 und T2 liegt. Schwellenwert T2 stellt dabei eine obere Grenze dar, oberhalb welcher der Katalysator 70 mit seinem höchsten Wirkungsgrad arbeitet. Die Temperaturschwelle T1 wiederum stellt einen unteren Wert dar, unterhalb welchem der Katalysator 70 keine exotherme Reaktion zwischen unverbrannten Kraftstoffdämpfen und überschüssigem Sauerstoff unterstützt. Ist die Antwort in Schritt 712 JA, dann wird in Schritt 714 ausgehend von der Soll-Temperatur (Tdcat) des Katalysators 70 und der Ist-Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 ein Katalysatortemperaturfehler (e) berechnet.
Weiter mit Bezug auf 7 wird in Schritt 716 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur Ttrp der NO_x-Falle 72 zwischen den Schwellenwerten T1' und T2' liegt. Der Schwellenwert T2' stellt dabei eine obere Grenze dar, über welcher die NO_x-Falle 72 mit ihrem höchsten Wirkungsgrad arbeitet. Temperaturschwelle T1' stellt eine untere Grenze dar, unterhalb welcher die NO_x-Falle 72 keine exotherme Reaktion zwischen unverbrannten Kraftstoffdämpfen und überschüssigem Sauerstoff unterstützt. Wenn die Antwort in Schritt 716 JA ist, wird der Temperaturfehler (e') der Falle in Schritt 718 ausgehend von der Fallen-Soll-Temperatur (Tdtrp) der NO_x-Falle 72 und der Ist-Temperatur (Ttrp) der NO_x-Falle 72 berechnet. Andernfalls wird der Temperaturfehler (e') der Falle in Schritt 720 gleich Null gesetzt. Danach wird in Schritt 722 entweder von Schritt 718 oder von Schritt 720 kommend ein Gesamtfehler (etot) berechnet, und zwar aus dem Temperaturfehler der Falle (e') und dem Katalysator-Temperaturfehler (e). Dann wird in Schritt 724 von einer Funktion (f) des Gesamtfehlers (etot) ausgehend ein Ausgangsregelwert (PRG_temp) berechnet. In einer bevorzugten Ausführung stellt die Funktion (f) einen Proportional-Integral-Differential-Regler dar, der dem Fachmann in der Technik auch als PID-Regler bekannt ist. Dann wird in Schritt 726 der Ausgangsregelwert (PRG_temp) amplitudenbegrenzt bzw. gekappt, ausgehend von der berechneten Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder, wie weiter oben mit besonderem Bezug auf die 4 beschrieben wurde. Dieser Vorgang verhindert, daß die Temperaturregelung zuviel Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffsystem 130 einleitet und eine zündfähige Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder erzeugt. Schließlich wird in Schritt 728 das gekappte Regelsignal (PRG_c) anhand der Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 begrenzt, wie weiter oben bereits mit besonderem Bezug auf 6 erläutert worden ist.
Ist die Antwort auf Schritt 712 NEIN, dann wird in Schritt 740 bestimmt, ob die Temperatur Ttrp der NO_x-Falle 72 zwischen den Schwellenwerten T1' und T2' liegt. Ist die Antwort in Schritt 740 JA, dann wird in Schritt 742 der Fallen-Temperaturfehler (e') berechnet, und zwar ausgehend von einer Fallen-Soll-Temperatur (Tdtrp) der NO_x-Falle 72 und einer Ist-Temperatur (Ttrp) der NO_x-Falle 72. In Schritt 744 wird dann der Katalysator-Temperaturfehler (e) gleich Null gesetzt. Andernfalls wird der Fallen-Temperaturfehler (e') gleich Null gesetzt, und der Katalysator-Temperaturfehler (e) wird in Schritt 746 gleich Null gesetzt.
Dementsprechend werden beide Emissionsregelvorrichtungen über einem Wert gehalten, der den höchsten Katalysatorwirkungsgrad bei der Ausnutzung unverbrannter Kraftstoffdämpfe darstellt.
Mit Bezug auf 8 folgt nun die Beschreibung einer Routine zur Begrenzung des gekappten Regelsignals (PRG_c), derart, daß die Temperatur (Ttrp) der NO_x-Falle 72 auf den gewünschten Wert eingeregelt werden kann, während gleichzeitig verhindert wird, daß die Temperatur (Tcat) zu hoch gerät, oder daß der Ladungsschichtbetrieb unterbrochen wird, wenn der Abführungsstrom zu niedrig ist. Zuerst wird in Schritt 810 bestimmt, ob die Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 kleiner als eine zulässige Höchsttemperatur (TuMAX) ist. Wenn die Antwort in Schritt 810 JA ist, wird ein Zwischen-Regelsignal PRG_S anhand des Kapp-Wertes (PRG_c) berechnet. Andernfalls wird das Zwischen-Regelsignal PRG_S in Schritt 814 ausgehend von dem Kapp-Wert (PRG_c) und einer Funktion (f2) der zulässigen Höchsttemperatur (TuMAX) des Katalysators 70 berechnet. In einer bevorzugten Ausführung stellt die Funktion (f2) einen Proportional-Integral-Differential-Regler dar, der dem Fachmann in der Technik auch als PID-Regler bekannt ist.
In Schritt 820 wird dann eine Bestimmung vorgenommen, ob das Zwischen-Regelsignal PRG_S größer als ein geforderter Kraftstoffdampfabführungswert REQ_PRG ist. Die geforderte Kraftstoffdampfabführung REQ_PRG wird so bestimmt, daß das Kraftstoffsystem 130 nicht mit Kraftstoffdampf übersättigt wird. Wenn die Antwort auf Schritt 820 JA ist, wird eine zusätzliche Kraft stoffdampfabführung gefordert. Da die Kraftstoffdampfabführung im momentanen Betrieb nicht erhöht werden kann, ohne das Motordrehmoment oder die Temperatur der Emissionsregelvorrichtung zu erhöhen, wird der Motor 10 in Schritt 822 auf Homogenbetrieb umgeschaltet. In einer alternativen Ausführungsform wird der Motor 10 auf einen geteilten oder Mischbetrieb umgeschaltet, wo sowohl ein homogenes Gemisch als auch ein geschichtetes Gemisch gebildet werden, die beide in den Motorzylindern verbrannt werden.
Mit Bezug auf 9 sei nun eine Routine zur Regelung der Temperatur (Tcat) des Katalysators 70 beschrieben. Zuerst wird in Schritt 910 bestimmt, ob der Motor in einem Betrieb mit Ladungsschichtung arbeitet, wo Kraftstoff während des Verdichtungshubes direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Ist die Antwort in Schritt 910 JA, dann wird eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zwischen Schwellenwerten T1 und T2 liegt. Schwellenwert T2 stellt dabei eine obere Grenze dar, oberhalb welcher der Katalysator 70 mit seinem größten Wirkungsgrad arbeitet, so daß eine Regelung der Temperatur (Tcat) nicht erforderlich ist. Die Temperaturschwelle T1 wiederum stellt einen unteren Wert dar, unterhalb welchem der Katalysator 70 keine exotherme Reaktion zwischen unverbrannten Kraftstoffdämpfen und überschüssigem Sauerstoff unterstützt. Liegt die Katalysatortemperatur Tcat in diesem Bereich, geht die Routine weiter zu Schritt 914, wo die Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder berechnet wird, wie später noch mit besonderem Bezug auf 3 beschrieben werden soll.
Weiter mit Bezug auf 9 wird in Schritt 916 ein Temperaturfehler (e) berechnet, und zwar ausgehend von einer Soll-Temperatur (Td) des Katalysators 70 und der momentanen Ist-Temperatur (Tcat) des Katalysators 70. In Schritt 918 wird dann ein Ausgangsregelwert (PRG_temp) anhand einer Funktion (f) des Fehlers (e) berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Funktion (f) einen Proportional-Integral-Differential regler dar, der dem Fachmann auch als PID-Regler bekannt ist. In Schritt 920 wird dann der Ausgangsregelwert (PRG_temp) ausgehend von der berechneten Kraftstoffdampfkonzentration (ρ_fc) im Zylinder begrenzt bzw. "gekappt", wie weiter oben mit besonderem Bezug auf 4 beschrieben worden ist. Dieser Vorgang verhindert, daß die Temperatursteuerung zuviel Kraftstoffdampf aus dem Kraftstoffsystem 130 zuschlägt und so eine zündfähige Kraftstoffdampfkonzentration im Zylinder erzeugt. Dann wird in Schritt 922 ermittelt, ob der gekappte Wert (PRG_c) kleiner als ein geforderter Abführungsmengenwert ist, bei dem eine Sättigung des Kraftstoffsystems 130 noch verhindert wird. Ist die Antwort JA, wird in Schritt 924 der Ladungsschichtbetrieb unterbrochen. Der Motor 10 wird dann also im Betrieb mit homogener Ladung betrieben, und es wird eine Abführung mit dem erforderlichen Durchsatz zugelassen. Andernfalls wird in Schritt 930 das Regelsignal PRG anhand des gekappten Signalwertes (PRG_c) berechnet.
Mit Bezug auf 10 soll nun eine Routine zur Aktivierung der Kraftstoffdampfabführung beschrieben werden. Zunächst wird dabei in Schritt 1010 eine Bestimmung vorgenommen, ob sich der Motor in einer Betriebsart mit Ladungsschichtung befindet, wo Kraftstoff während des Verdichtungshubes direkt in den Zylinder 30 eingespritzt wird. Ist die Antwort in Schritt 1010 JA, dann wird in Schritt 1012 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Temperatur Tcat des Katalysators 70 zwischen Schwellenwerten T11 und T22 liegt. Schwellenwert T22 stellt dabei eine obere Grenze dar, oberhalb welcher der Wirkungsgrad des Katalysators 70 nachläßt. Die Temperaturschwelle T11 stellt einen unteren Wert dar, unterhalb welchem der Katalysator 70 keine exotherme Reaktion zwischen unverbrannten Kraftstoffdämpfen und überschüssigem Sauerstoff unterstützt.
Weiter mit Bezug auf 10 wird, wenn die Antwort in Schritt 1012 JA ist, in Schritt 1014 eine Bestimmung vorgenommen, ob die Katalysatortemperatur Tcat kleiner als ein unterer Bereich eines zulässigen Abführungstemperaturbereiches ist, der von T11 und T22 begrenzt wird, wo ein Parameter X einen vorgegebenen Prozentsatz des zulässigen Abführungstemperaturbereiches darstellt. Parameter X basiert auf Motorbetriebsbedingungen wie z.B. dem Frischluft-Einlaßmengenstrom in den Motor. Wenn die Antwort in Schritt 1010 NEIN oder in Schritt 1014 JA ist, wird die Kraftstoffdampfabführung in Schritt 1016 aktiviert. Andernfalls wird die Kraftstoffdampfabführung in Schritt 1018 unterbunden.
Damit ist die Beschreibung eines Beispieles abgeschlossen, in dem die Erfindung vorteilhaft zum Einsatz kommt. Der Fachmann in der Technik wird erkennen, daß zahlreiche Abwandlungen realisiert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So kann die Erfindung z.B. während des Betriebes in einem reinen Ladungsschichtbetrieb zur Ausführung gebracht werden, oder in einem Mischbetrieb, wo sowohl geschichtetes als auch homogenes Gemisch gebildet wird. Außerdem können verschiedene Emissionsregelvorrichtungen anstelle des Katalysators 70 oder der Falle 72 eingesetzt werden. Es kann z.B. eine zweite Falle anstatt des Katalysators 70 verwendet werden. In diesem Beispiel würden dann die Routinen, die die Temperatur des Katalysators 70 behandeln, die Temperatur der zweiten Falle verwenden.

Claims

Regelverfahren für einen Motor (10) mit mehreren Brennkammern (30), welche mit einer Emissionsregelvorrichtung (70, 72) verbunden sind, welches Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Betreiben in einer Betriebsart mit Ladungsschichtung, in welcher wenigstens ein Teil des Kraftstoffes während eines Verdichtungshubes des Motors eingespritzt wird; Abführen von Kraftstoffdämpfen aus einem Rückgewinnungssystem in die Brennräume (30), derart, daß ein ausreichend mageres Gemisch gebildet wird, um unverbrannt durch die Brennräume zu strömen, wobei unverbrannte Kohlenwasserstoffe und überschüssiger Sauerstoff geliefert werden, die exotherm reagieren und in der Emissionsregelvorrichtung (70, 72) Wärme erzeugen; und Unterbrechen des besagten Betriebes mit Ladungsschichtung, wenn eine Kraftstoffdampfabführungs-Ist-Menge kleiner als eine Kraftstoffdampfabführungs-Soll-Menge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin in besagter Betriebsart mit Ladungsschichtung Kraftstoff nur während des Verdichtungshubes des Motors eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren den Schritt der Begrenzung der besagten Kraftstoffdampfabführung anhand einer Temperatur der Emissionsregelvorrichtung beinhaltend.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem den Schritt der Begrenzung der besagten Kraftstoffdampfabführung anhand einer Kraftstoffdampfkonzentration in den Brennräumen beinhaltend.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Emissionsregel vorrichtung mit einer stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung gekoppelt ist, des weiteren den Schritt der Begrenzung der besagten Kraftstoffdampfabführung anhand einer Temperatur der Emissionsregelvorrichtung und einer stromabwärtigen Temperatur der besagten stromabwärtigen Emissionsregelvorrichtung beinhaltend.
Verfahren nach Anspruch 6, worin besagte Emissionsregelvorrichtung ein Dreiwegekatalysator ist, und besagte stromabwärtige Emissionsregelvorrichtung ein NO_x-Falle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Emissionsregelvorrichtung eine NO_x-Falle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin, wenn ein Kraftstoffdampfsystem Sättigung erreicht, besagte Kraftstoffdampfabführungs-Ist-Menge größer als eine Kraftstoffdampfabführungs-Soll-Menge ist.