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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, ins- besondere einer Viertakt-Brennkraftmaschine, welche in zumindest einem ersten Motorbetriebsbereich durch Selbstzündung eines zumindest annähernd homoge- nen Kraftstoff-Luftgemisches betrieben wird, wobei die Verbrennung gemessen und in Abhängigkeit eines aus dieser Messung gewonnenen Signales zumindest ein Parameter für die Verbrennung für den nächsten Zyklus geregelt wird. Wei- ters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraft- stoff/Luft-Gemisches hat den Vorteil, dass wegen der homogenen Konzentra- tions- und Temperaturverteilung äusserst niedrige Emissionswerte für NOx und Russ erzielt werden. Dieses Verfahren wird im englischen Sprachraum als "HCCI- Verfahren" (Homogenous Charge Compression Ignition) bezeichnet. Der geringe Gehalt an NOx-Abgas resultiert beim HCCI-Verfahren daher, dass die Verbren- nung an einer Vielzahl von Zündorten beginnt, wodurch die Verbrennung mit re- lativ geringer Verbrennungstemperatur abläuft. Benzin hat für das HCCI-Verfah- ren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungswilligkeit und des niedriger lie- genden Siedebereiches zwischen etwa 30 und 190 grosse Vorteile gegenüber Dieselkraftstoff.
Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim Diesel- motor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. Da der genaue Zeit- punkt der Entflammung nur bei niedrigem effektivem Mitteldruck in erwünschter Weise kurz vor dem oberen Totpunkt fixiert werden kann, ist allerdings der er- reichbare effektive Mitteldruck beim HCCI-Verfahren in nachteiliger Weise auf den Teillastbereich beschränkt, wie aus der Veröffentlichung "An Experimental Study on Premixed-Charge Compression Ignition Gasoline Engine", Taro Aoyama et al., SAE 960081, hervorgeht.
Die DE 199 27 479 Al beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer mit Benzin betriebenen Brennkraftmaschine, welches vorsieht, dass die Brennkraftmaschine unterhalb eines vordefinierten Grenzwertes des effektiven Mitteldruckes homo- gen selbstgezündet und oberhalb des Grenzwertes fremdgezündet betrieben wird. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile des HCCI-Verfahren ohne dessen Nachteile nutzen.
Aus der EP 1 085 192 A2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, welche im mitt- leren Teillastbereich homogen selbstgezündet und im oberen Teillastbereich, im Volllastbereich, aber auch im untersten Teillastbereich homogen fremdgezündet betrieben wird. Im Bereich des Umschaltens vom fremdgezündeten in den selbstgezündeten Betrieb wird die Menge an rückgeführtem Abgas erhöht, um
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eine sichere Selbstzündung zu gewährleisten. Umgekehrt wird beim Umschalten vom selbstgezündeten in den fremdgezündeten Betrieb die Menge an rückge- führtem Abgas rechtzeitig reduziert, um Klopferscheinungen zu vermeiden.
Aus der WO 99/40296 Al ist ein Verfahren zum Betrieb einer Viertakt-Brenn- kraftmaschine mit homogenen, mageren Grundgemisch aus Luft und Kraftstoff und mit Kompressionszündung bekannt, bei der das im Brennraum gebildete Kraftstoff/Luft-Verhältnis durch ein steuerbares Einlassorgan geregelt wird. Dabei wird eine Messung der jeweiligen Verbrennung durchgeführt und in Abhängigkeit des aus dieser Messung gewonnen Signales der Zeitpunkt des Schliessens des Einlassorgans für den nächsten Zyklus geregelt. Die Last des Motors wird durch den Zeitpunkt des Schliessens des Auslassorganes und das im Brennraum verbleibende Abgas, sowie die zugeführte Gemischmasse aus Kraftstoff und Frischgas gesteuert.
Die Lage und der Verlauf der Verbrennung wird durch Mo- torparameter, wie den Körperschall am Verbrennungsmotor, den Ionenstrom im Brennraum und die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle in Echtzeit erfasst.
Im Allgemeinen erfolgen Verbrennungsregelung und Drehmomentenregelung gemeinsam, wodurch Kompromisse eingegangen werden müssen. Dies führt dazu, dass das Potential für Verbrauchs- und Emissionsverbesserungen nicht ausgeschöpft werden kann.
Konventionelle Motorsteuerungen für homogen betriebene Otto-Brennkraftma- schinen (sowohl saugrohreinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen, als auch ho- mogen betriebene direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen) haben im We- sentlichen die Aufgabe, die drei grundlegenden Parameter Füllung, Einspritzung und Zündung für den jeweiligen Motorbetriebspunkt bereitzustellen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, werden im Allgemeinen 8,16 oder 32 bit Mikro- controller verwendet. Diese erfassen mit Hilfe von Sensorsignalen den aktuellen Motorbetriebszustand, sowie die Umweltbedingungen und bestimmen unter Zu- hilfenahme von abgestimmten Kennfeldern und Kennlinien die optimalen vorhin erwähnten Parameter. Die Adressierung der Kennfelder erfolgt grösstenteils über die beiden grundlegenden Betriebsparameter Motordrehzahl und Motorlast.
Die Erfassung der Motordrehzahl erfolgt über die Auswertung des Signals eines Dreh- zahlsensors, der eine auf der Kurbelwelle angebrachte Triggerscheibe abtastet.
Für die Erfassung der Motorlast werden im Allgemeinen grundsätzlich drei ver- schiedene Verfahren verwendet. Die eine Möglichkeit besteht in der Auswertung des Signals eines zwischen Luftfilter und Drosselklappe positionierten Luftmas- senmessers, der somit die Frischluftfüllung des Motors erfasst. Das zweite Ver- fahren besteht in der Erfassung des Saugrohrunterdrucks im Sammelsaugrohr der Brennkraftmaschine, wobei der Saugrohrdruck ebenfalls ein Mass für die Fül- lung der Brennkraftmaschine darstellt. Ein weiteres Verfahren besteht in der
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Möglichkeit, den Massenfluss über die Stellung der Drosselklappenposition zu bestimmen.
Diese Verfahren dienen zur Lasterfassung der Brennkraftmaschine, wobei aber die Druck- und Temperaturverhältnisse im Zylinder nicht berücksichtigt werden können. Gerade diese beiden Parameter sind allerdings von entscheidender Be- deutung, wenn über die Verbrennung oder den Verbrennungsablauf selbst eine Aussage getroffen werden soll.
Ist die Füllung bestimmt, so kann daraus die notwendige einzuspritzende Kraft- stoffmasse bestimmt werden, um den Motor beim gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnis A betreiben zu können. Abweichungen von diesem gewünschten A- Wert werden über eine A-Sonde, die sich im Abgasrohr vor dem Katalysator be- findet, erfasst und einem Regelkreis zugeführt, der die Abweichungen vom Soll- A-Wert korrigiert.
Des weiteren sind aktuelle Motorsteuerungen mit einem Pedalwertgeber, der den Fahrerwunsch ermittelt, und einer elektronischen Drosselklappe, die letztendlich den Luftmassenfluss freigibt, verbunden. Der Durchgriff vom Pedalwertgeber auf die Drosselklappe erfolgt dabei entkoppelt, das heisst, es existiert keine direkte Umsetzung der Pedalwertstellung in eine Soll-Wert-Position der Drosselklappe, sondern die Ansteuerung der Drosselklappe erfolgt über eine Koordination der gesammelten Momentenanforderungen an die Brennkraftmaschine. Dabei wird in diesem Zusammenhang meist ein empirisches Momentenmodell verwendet, wel- ches als primäre Grösse das innere Moment der Brennkraftmaschine einbezieht.
Bei optimal eingestelltem Zündzeitpunkt stellt die Frischluftfüllung beim homogen betriebenen Otto-Motor ein direktes Mass für das abgegebene Drehmoment dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Viertakt-Brenn- kraftmaschine der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, um sowohl im Betriebsbereich mit Selbstzündung als auch im Betriebsbereich mit Fremdzün- dung bestmögliche Verbrennung mit optimalem Wirkungsgrad und geringst mög- lichem Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu erreichen.
Erfindungsgemäss ist zur Lösung dieser Aufgabenstellung vorgesehen, dass die Viertakt-Brennkraftmaschine in zumindest einem zweiten Motorbetriebsbereich durch Fremdzündung eines zumindest annähernd homogenen Kraftstoff-Luftge- misches betrieben wird, und dass sowohl im ersten als auch im zweiten Motor- betriebsbereich die Verbrennung weitgehend unabhängig vom Drehmoment der Brennkraftmaschine geregelt wird. Die Brennkraftmaschine weist zur Durchfüh- rung des Verfahrens eine Steuereinrichtung mit zwei getrennten Regelkreisen auf, nämlich einerseits einen Verbrennungsregler zur Überwachung der homoge-
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nen Verbrennung und andererseits einen Drehmomentenregler zur Umsetzung der jeweiligen Drehmomentenanforderung.
Dabei ist vorgesehen, dass die Verbrennung im ersten Motorbetriebsbereich durch ein erstes schnelles Stellglied für die Zylinderladung geregelt wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass im ersten Motorbetriebsbereich auf Basis der Verbrennungsauswertung die Verbren- nung stabilisiert wird, indem als Stellgrössen die Parameter der Gaswechselven- tile, vorzugsweise auch die Parameter der Einspritzung geregelt werden. Para- meter für die Gaswechselventile sind Öffnungs- und Schliesszeitpunkte sowie Hub für Einlass und Auslass. Das Drehmoment hingegen wird im ersten Motorbe- triebsbereich zumindest durch ein Stellglied für die Kraftstoffmasse geregelt.
Be- sonders vorteilhaft ist es dabei, wenn im ersten Motorbetriebsbereich das Dreh- moment unter Miteinbeziehung der Verbrennungsauswertung geregelt wird, in- dem als Stellgrösse primär die Kraftstoffmasse, vorzugsweise auch die Parameter der Gaswechselventile verwendet werden.
Für die Regelung im zweiten Motorbetriebsbereich ist vorgesehen, dass das Drehmoment durch ein erstes und/oder zweites langsames Stellglied für die Zy- linderladung geregelt wird, wobei das erste schnelle Stellglied vorzugsweise durch zumindest ein Gaswechselventil und das zweite langsame Stellglied vor- zugsweise durch eine elektrische Drosselklappe gebildet ist. Das zweite langsame Stellglied ist insbesondere im leerlaufnahen Betrieb von Bedeutung, wenn eine entsprechende Füllungserhöhung über die Ventilsteuerzeiten nicht mehr möglich ist.
Im Fremdzündungsbetrieb erfolgt somit die Regelung im leerlaufnahen Be- reich über die elektrische Drosselklappe, bei höherer Motordrehzahl im Bereich der oberen Teillast und im Bereich der Volllast hingegen erfolgt die Regelung des Drehmomentes zumindest teilweise über die Öffnung und/oder Schliessung zu- mindest eines Gaswechselventils.
Im Bereich der homogenen Fremdzündung erfolgt die Verbrennungsregelung über Veränderung der Kraftstoffmasse und/oder des Zündzeitpunktes.
Zur Erfassung der Verbrennung ist vorgesehen, dass die Verbrennung durch Auswerten eines Zylinderdrucksignales, eines Ionenstromsignales oder des Signales eines lichtsensitiven Messelementes erfolgt.
Der erste Betriebsbereich ist der unteren Teillast zugeordnet. Der zweite Be- triebsbereich ist dagegen der oberen Teillast und der Volllast zugeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen schematisch Fig. 1 das erfindungsgemässe Motorsteuerungssystem für Fremdzündungs- und Selbstzündungsbetrieb, Fig. 2 die Momentenkoordination und Aufteilung in die unterschiedlichen Betriebsarten, Fig. 3 ein Motorkennfeld
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mit den unterschiedlichen Betriebsbereichen, Fig. 4 die Drehmomentenumset- zung und Verbrennungsregelung im homogenen Fremdzündungsbetrieb, Fig. 5 die Drehmomentenumsetzung und Verbrennungsregelung im homogenen Selbst- zündungsbetrieb, Fig. 6 ein Blockdiagramm über die Momentenkoordination, Fig. 7 ein Blockdiagramm über die Verbrennungs- und Lastregelung im Selbst- zündungsbetrieb, Fig. 8 die Abhängigkeit der Verbrennungslage von der An- sauglufttemperatur, Fig. 9 bis 12 die Abhängigkeit der Verbrennungslage von Ventilsteuerungsparametern, Fig.
13 den Zusammenhang zwischen Abgaslamb- dawert und der Verbrennungslage und Fig. 14 ein Blockdiagramm über die Verbrennungs- und Lastregelung im Fremdzündungsbetrieb.
Das Motorsteuerungssystem 1 (Fig. 1) liest alle relevanten Sensorsignale 2 der Brennkraftmaschine 3, wie Motordrehzahl n, Phasensynchronisationssignal, An- sauglufttemperatur, Luftmassenstrom, Drosselklappenposition, Saugrohrunter- druck und der A-Wert des Abgases ein und bildet alle Steuersignale 4, die für ei- nen Motorbetrieb notwendig sind. Die wesentlichen Steuersignale 4 sind dabei die Einspritzmenge, der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzdauer, die Betätigung der Gaswechselventile, also Öffnungs- und Schliesszeitpunkt sowie Hubhöhe der Ein- lass- und/oder Auslassventile, der Zündzeitpunkt und die Drosselklappenansteu- erung.
In einer erweiterten Ausführung kann ausserdem noch ein externes Ab- gasrückführventil, eine Ansaugluftvorwärmung, eine Abgasstauklappe, sowie eine Ansteuerung eines Kompressors oder eines Abgasturboladers enthalten sein, wie durch Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Zusätzlich liest das Motorsteuerungssys- tem 1 von einer eigenen Recheneinheit 6 in jedem Arbeitstakt die relevanten Verbrennungskenngrössen der letzten Verbrennung oder der letzten Verbrennun- gen ein. Die Recheneinheit 6 wertet ein Verbrennungssignal 7, wie beispielsweise ein Zylinderdrucksignal p,, in Echtzeit aus. Anstelle des Zylinderdrucksignales kann auch ein Ionenstromsignal oder ein lichtsensitives Messelement Verwen- dung finden.
Um den Motorlauf oder die Motorbetriebsart beeinflussen zu können, werden in einer übergeordneten Funktion alle Lastanforderungen 8, wie Fahrerwunsch 9, Leerlaufbedingungen 10, Startanforderungen 11, etc. an die Brennkraftmaschine 3 gesammelt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese gesammelten Lastanforderungen 8 werden an eine Auswahleinheit 12 weitergegeben, welche die Auswahl zwi- schen dem fremdgezündeten Homogen-Betrieb (SI-Betrieb) und dem selbstge- zündeten Homogen-Betrieb (HCCI-Betrieb) durchführt. Das primäre Entschei- dungskriterium ist die Lastanforderung 8 an die Brennkraftmaschine 3, da der Selbstzündungsmodus HCCI nur in einem eingeschränkten Drehzahl/Last-Bereich Verwendung findet, wie aus dem in Fig. 3 dargestellten Motorkennfeld hervor- geht. Die Betriebsart-Schaltlogik ist in Fig. 2 mit Bezugszeichen 13 angedeutet.
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Neben den Lastanforderungen 8 können für die Wahl der Betriebsart aber auch andere Randbedingungen, wie z. B. zu geringe Motortemperatur und zu geringe Ansauglufttemperatur oder zu geringe Abgastemperatur etc. herangezogen wer- den. Als Ergebnis bildet die Auswahleinheit 12 eine Statusinformation SI oder HCCI, die in allen weiteren Unterfunktionen verwendet wird. Je nach ausgewähl- ter Betriebsart erfolgt anschliessend die Drehmomentenumsetzung über die Zy- linderladung, die Kraftstoffmasse und den Zündungszeitpunkt (vornehmlich im Homogen-Betrieb).
In dem in Fig. 3 gezeigten Motorkennfeld ist der indizierte Zylinderdruck p, über der Motordrehzahl n dargestellt. Wie ersichtlich, wird die Brennkraftmaschine 3 im unteren Teillastbetrieb homogen selbstgezündet (Bereich HCCI) und im obe- ren Teillastbereich, sowie im Volllastbereich homogen fremdgezündet (Bereich SI) betrieben. Die Linien G2, G3, G4 und G5 zeigen die verschiedenen Getriebe- übersetzungen an. Im Bereich HCCI wird die Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoff-Verhätnis 1, im Bereich SI mit einem # 1 betrieben.
Die Drehmomentenumsetzung 14 der Lastanforderungen 8 erfolgt durch Verän- derung der Zylinderladung 15, der Kraftstoffmasse 16 und/oder der Veränderung der Zündung 17.
In Fig. 4 ist die Drehmomentenumsetzung 14 und die Verbrennungsregelung 15 im fremdgezündeten Homogen-Betrieb SI dargestellt. Die gesammelte Lastan- forderung 8 wird zunächst einem Drehmoment/Zylinderladungs-Umsetzer 14a der Drehmomentenumsetzung 14 zugeführt, der im einfachsten Fall ein Kennfeld sein kann. Dieses Kennfeld enthüllt beispielsweise in Abhängigkeit von der Mo- tordrehzahl n und der jeweiligen Lastanforderung 8 eine Luftmasse, die notwen- dig ist, um beim gewünschten stöchiometrischen Verhältnis ein entsprechendes Drehmoment realisieren zu können. Diese Luftmassenanforderung 15a wird an- schliessend beiden Steuerungsblöcken 18a und 19a für ein erstes schnelles Stell- glied 18 und ein zweites langsames Stellglied 19 zugeführt, wobei der Steue- rungsblock 19a den Füllungspfad über die Drosselung mittels elektrischer Dros- selklappe darstellt.
Dieser Pfad steuert in weiterer Folge über die gewünschte Drosselanforderung 19b die das zweite langsame Stellglied 19 bildende Drossel- klappe an. Der Steuerungsblock 18a stellt hingegen die schnelle Ladungsdosie- rung 18b über das zweite schnelle Stellglied 18 bildende Gaswechselventil dar.
Die Steuerung über das zweite langsame Stellglied 19 ist besonders im leerlauf- nahen Betrieb von Interesse, wenn eine entsprechende Füllungsdosierung über die Ventilsteuerzeiten nicht mehr möglich ist. Stimmt nun die Lastanforderung 8 nicht mit dem erzeugten Drehmoment überein, kann mittels des Drehmomen- tenreglers 20 die Zylinderladung so nachgeregelt werden, dass die Regelabwei- chung gegen Null geht. Mittels der Recheneinheit 21 erfolgt die Dosierung und
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Vorsteuerung der Kraftstoffmasse 16 und die Vorsteuerung der Zündung 17 in Abhängigkeit der abhängigen Motordrehzahl n und der aktuellen Füllung 15b.
Das Gemisch kann in weiterer Folge noch über eine stetige @-Regelung in Verbin- dung mit einer Breitband-Lambda-Sonde auf den gewünschten Wert eingeregelt werden. Die Zündung kann zusätzlich über den homogenen Verbrennungsregler 22 nachgestellt werden, der auf Basis der Regelabweichung von aktueller Verbrennungslage 22a (z. B. bei 50 % Massenumsatz) und Referenzverbren- nungslage 22b arbeitet. Somit ist es möglich, die Verbrennung immer auf das thermodynamische Optimum hinzustellen und somit auch den Wirkungsgrad im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI zu verbessern.
In Fig. 5 ist die Drehmomentenumsetzung 14 und die Verbrennungsregelung 22 für den homogenen Selbstzündungsbetrieb HCCI dargestellt. In ähnlicher Weise wie beim homogenen Fremdzündungsbetrieb SI gibt es auch hier einen Dreh- momenten/Zylinderladungs-Umsetzer 14a, der hier ähnlich konzipiert sein kann, wie für den homogenen Fremdzündungsbetrieb SI. Im einfachsten Fall können hier aus Kennfeldern in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n und dem Wunsch- drehmoment eine gewünschte Frischluftmasse und eine gewünschte rückzufüh- rende Abgasmasse für den jeweiligen Betriebspunkt ausgelesen werden. Diese Wunschzylinderfüllung rcdem, nämlich die Zusammensetzung aus Frischluft- masse und Abgasmasse, wird anschliessend an den Steuerblock 18a des ersten schnellen Stellgliedes 18 übergeben, der die Umsetzung dieser gewünschten Zy- linderladung realisiert.
Das erste schnelle Stellglied 18 wird durch Gaswechsel- ventile gebildet. Dabei ist es notwendig, über ein Füllungsmodell die gewünsch- ten Steuerparameter, wie Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer für die Gas- wechselventile zu ermitteln. In ähnlicher Weise wie für den Luftpfad gibt es auch auf der Kraftstoffseite einen Drehmomenten/Kraftstoffmasse-Umsetzer 14b. Hier kann im einfachsten Fall über ein Kennfeld einem gewünschten Drehzahl- /Lastpunkt eine Kraftstoffmasse 16 zugeordnet werden. In ähnlicher Weise wie beim homogenen Fremdzündungsbetrieb SI gibt es auch hier einen Drehmo- mentenregler 20, der hier aber auf die Kraftstoffmasse 16 eingreift, da im Selbstzündungsbetrieb HCCI die Kraftstoffmasse 16 der entscheidende Einfluss- parameter für das erzeugte Drehmoment ist.
Sehr wichtig beim Selbstzündungs- prozess HCCI ist der Verbrennungsregler 22, der eine stabile Verbrennung spe- ziell bei Einfluss von Störgrössen ermöglicht. Der Verbrennungsregler 22, welcher die aktuelle Verbrennungslage 22a mit einer Referenzverbrennungslage 22b ver- gleicht, kann als Eingrössenregler ausgeführt werden, indem er nur auf einen Pa- rameter der Ventilsteuerung eingreift, oder aber auch als Mehrgrössenregler, in- dem er mehrere Stellgrössen des Ventiltriebes gleichzeitig verstellt und somit die
Ladungszusammensetzung für die folgenden Arbeitszyklen verändert.
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Eine vereinfachte konkrete Ausführungsform der HCCI-Motorsteuerungsstrategie ist in den Fig. 6 bis 14 dargestellt. Die Momentenkoordination, Fig. 6, besteht aus drei Modulen. Der Fahrerwunsch wird über die Pedalstellung des Fahrpedal- moduls eingelesen und einem Kennfeld KFPIDEM zugeführt, welches über der Motordrehzahl n und der Pedalposition pedpos adressiert ist. Dieses Kennfeld KFPIDEM enthält für jeden Betriebspunkt ein Wunschmoment pidemdriv, das in der Folge noch um die Drehmomentenanforderung der Leerlaufregelung pide- midle, das Startmoment pidemstart, und eventuelle zusätzliche Anforderungen adem etc. ergänzt wird.
Die Summe dieser Momentenanforderungen pidem wird einem weiteren Kennfeld, dem Betriebsartenwunschkennfeld KFENGMODE zuge- führt, welches für den Stationärbetrieb den gewünschten Betriebsmode enthält, der im jeweiligen Betriebspunkt gefahren werden soll. Am Ausgang erhält man somit die Statusinformation B¯HCCI, die den HCCI-Betrieb bzw. den SI-Betrieb anfordert.
Für eine HCCI-Anforderung wird mittels Fig. 7 erläutert, wie die Parameter für die Einspritzung und die Luftsteuerung einfach ermittelt werden können. Aus ei- ner Rastervermessung am Stationärprüfstand ergeben sich die Grundkennfelder für die Kraftstoffmasse KFPIRF, die Frischluftmasse KFINVALOPEN, KFINVALHOLD und die rückzuführende Abgasmasse KFEXVALOPEN, KFEXVALHOLD. Mit diesen Vorsteuerwerten ist es unter reinen Stationärbedingungen ohne Einwirkung von externen Störgrössen möglich, den Motor in einem Betriebspunkt zu betreiben.
Nachdem der Verbrennungsprozess aber sehr sensitiv auf Lastpunktwechsel, An- sauglufttemperatur, Abgastemperatur etc. reagiert, ist es notwendig, den Verbrennungsprozess zu stabilisieren. In Fig. 8 ist beispielhaft die Abhängigkeit der Verbrennungslage MFB 50 %, also des 50 % Massendurchsatzpunktes, in Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Zündung von der Ansaugluft- temperatur TL für einen konstanten Betriebspunkt dargestellt. Daraus ist ersicht- lich, dass durch Erhöhung der Ansauglufttemperatur TL die Verbrennungslage MFB 50 % entscheidend beeinflusst werden kann. Dieser Effekt kann einerseits in einer erweiterten Vorsteuerung kompensiert werden, die letzten Abweichungen müssen aber auch in diesem Fall vom Verbrennungsregler 22 ausgeregelt wer- den.
Die Beeinflussung der Verbrennung gelingt über Änderung der Zylinderla- dungszusammensetzung mittels Veränderung der Ventilsteuerungsparameter.
Die Abhängigkeit der Verbrennungslage MFB 50 % von den Ventilsteuerungspa- rametern Einlassventilöffnungswinkel invalveopen, Einlassventilöffnungsdauer- winkel invalvehold, Auslassventilöffnungswinkel exvalveopen und Auslassventil- öffnungsdauerwinkei exvalvehold sind beispielhaft in den Fig. 9 bis 12 zusam- mengestellt. Um über die Lage der Verbrennung eine Information zu haben, wird in einer eigenen Echtzeitrecheneinheit der 50%-Massenumsatzpunkt bestimmt und mit einer Referenzlage verglichen. Die Abweichung der Istverbrennungslage
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MFB50act von der Referenzverbrennungslage MFBSOdem bildet die Regeiabwei- chung für den Verbrennungsregler 22, der direkt auf die Ventilsteuerungspara- meter eingreift.
Nachdem auch die Abgaszusammensetzung, die in Form des gemessenen Lambdawertes act zur Verfügung steht, einen entscheidenden Ein- fluss auf die Verbrennung hat, ist im Verbrennungsregler 22 auch ein Lambda- regler 23 integriert, der über Verstellung der Frischluftmasse dafür sorgt, dass das Abgaslambda den gewünschten Abgaslambdasollwert Adern nicht verlässt.
Der Zusammenhang zwischen dem Abgaslambda AA und der Verbrennungslage ist beispielhaft in Fig. 13 dargestellt. Besonders von Bedeutung ist die Tatsache, dass sich das Vorzeichen der Steigung der Verbrennungslage ändert, wenn ein Lambdawert in der Grössenordnung 1,2 - 1 unterschritten wird. Bei der Lambda- regelung im HCCI-Betrieb wird im Gegensatz zum SI-Betrieb als Stellgrösse der schnelle Luftpfad und nicht die Kraftstoffmasse verwendet.
Zur Bestimmung der notwendigen Kraftstoffmasse 16 wird über das Kennfeld KFPIRF jedem Lastpunkt eine Kraftstoffsollmasse rfhccibase zugeordnet, die mittels Injektorkonstante und Raildruckkorrektur im Schritt rf- > ti in eine Ein- spritzzeit tihcci umgerechnet wird, die als Stellgrösse an das Einspritzventil aus- gegeben wird. Um Abweichungen vom Solldrehmoment pidem ausgleichen zu können, arbeitet ein Drehmomentenregler 20 multiplikativ über die Beeinflus- sung der Kraftstoffmasse 16. Als Regelabweichung wird die Differenz des gemit- telten indizierten Mitteldrucks piact, der aus einer eigenen Recheneinheit kommt, vom Sollwert pidem verwendet. Die geregelte Kraftstoffsollmasse ist mit rfhcci bezeichnet.
In der beschriebenen Ausführungsform ist die Drosselklappe im HCCI-Betrieb immer vollständig geöffnet, die Drosselung der Frischluft erfolgt nur über das Einlassventil. Bei einer geänderten Ausführung kann man sich aber durchaus vorstellen, die Frischluftdosierung auch im HCCI-Betrieb mit der Dros- selklappe zu steuern.
Im Falle einer Anforderung für den homogenen Fremdzündungsbetrieb SI, Fig. 14, wird über das Kennfeld KFRCDEM jedem Betriebspunkt eine Sollluft- masse rcdem zugeordnet, die dem Wunschdrehmoment pidem proportional ist.
Diese Wunschfüllung rcdem wird über den Drehmomentenregler 20 in eine Wunschfüllung rcdemcor korrigiert, sodass sich das gewünschte Motordrehmo- ment einstellt. Die Umsetzung der Sollfüllung in die Ventilbetätigungsparameter kann mittels eines Füllungsmodells des Steuerblockes 18a für den variablen Ven- tiltrieb realisiert werden, in dem der Zusammenhang zwischen Öffnungsdauer, Öffnungszeitpunkt, Motordrehzahl n und durchgesetzter Luftmasse abgelegt ist.
Der langsame Luftpfad des Steuerblockes 19a über die Drosselklappe kann mit Hilfe strömungsdynamischer Grundgleichungen berechnet werden, wobei dieser Pfad hauptsächlich bei sehr geringen Luftmassen verwendet wird, da aufgrund
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der geringen Luftmasse und damit verbunden sehr kleinen Öffnungsdauern der Gaswechselventile mit Problemen in der Luftzumessung zu rechnen ist. Die Kraftstoffzumessung rfbase im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI erfolgt konven- tionell, indem die Frischluftmasse rcact bestimmt wird und über das stöchio- metrische Verhältnis die notwendige Kraftstoffmasse 16 berechnet wird. Eine Abweichung vom Solllambawert act wird durch den Lambdaregler 23 ausgegli- chen. Der A-geregelte Sollwert der Kraftstoffzumessung ist mit rfham bezeichnet.
Im Schritt rf- > ti wird die Kraftstoffmasse in eine Einspritzzeit ti umgerechnet.
Die Verbrennungslage MFB 50 % wird über ein Zündwinkelkennfeld IGNITION in Abhängigkeit der Motordrehzahl n und der Frischluftmasse rcact vorgesteuert.
Die Verbrennungsregelung selbst arbeitet auch hier mit der Regelabweichung des 50%Massenumsatzpunktes MFB 50 %, wobei in diesem Betriebsmodus als Stell- grösse der Zündwinkel ignangle verwendet wird.
Sowohl im homogenen Fremdzündungsbetrieb SI, als auch im homogenen Selbstzündungsbetrieb HCCI erfolgt die Regelung der Verbrennung weitgehend unabhängig von der Regelung der Drehmomentenanforderung, wodurch eine stabile und optimale Verbrennung mit geringst möglichen Emissionen und best- möglicher Umsetzung der Drehmomentenanforderungen erreicht werden kann.