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DE112006000513B4 - Lastsprungsteuerverfahren für Direkteinspritzmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung - Google Patents

Lastsprungsteuerverfahren für Direkteinspritzmotoren mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung Download PDF

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DE112006000513B4
DE112006000513B4 DE112006000513.8T DE112006000513T DE112006000513B4 DE 112006000513 B4 DE112006000513 B4 DE 112006000513B4 DE 112006000513 T DE112006000513 T DE 112006000513T DE 112006000513 B4 DE112006000513 B4 DE 112006000513B4
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Chen-Fang Chang
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Barry L. Brown
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Man-Feng Chang
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Magermotors mit Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung während Lastsprungvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses, des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI) und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und a) Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme von einem stabilen Zustand bei niedrigerer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei höherer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens zwei der Größen FI, SI und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss und/oder b) Steuern des Motors während einer schnellen Lastabnahme von einem stabilen Zustand bei höherer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei niedrigerer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens zwei der Größen FI, SI und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss, wobei schnelle Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, angefordert werden und das Verfahren ferner umfasst: Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme, um das Zylinder-Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern, indem während der schnellen Lastzunahme ...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit gesteuerter Selbstzündung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Stabilität im Hinblick auf Lastübergänge bei solchen Motoren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Um den thermischen Wirkungsgrad von Benzin-Brennkraftmaschinen zu erhöhen, ergibt eine verdünnte Verbrennung – entweder mittels Luft oder zurückgeführten Abgases – bekanntermaßen einen höheren thermischen Wirkungsgrad und niedrige NOx-Emissionen. Jedoch besteht wegen Fehlzündung und Verbrennungsinstabilität als Ergebnis einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bis zu der ein Motor mit einem verdünnten Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Erweitern der Verdünnungsgrenze umfassen 1) das Erhöhen der Zündempfindlichkeit des Gemischs durch Verbessern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung, 2) das Erhöhen der Flammengeschwindigkeit durch Einführen von Ladungsbewegung und Ladungsturbulenz und 3) das Betreiben des Motors unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung.
  • Der gesteuerte Selbstzündungsprozess wird manchmal Prozess der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) genannt. In diesem Prozess wird ein Gemisch aus Verbrennungsgasen, Luft und Kraftstoff erzeugt und während der Kompression gleichzeitig von vielen Zündstellen innerhalb des Gemischs aus selbst gezündet, was zu einer sehr stabilen Leistungsabgabe und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Da die Verbrennung hoch verdünnt und über die gesamte Ladung gleichmäßig verteilt ist, ist die Verbrennungsgastemperatur und folglich die NOx-Emission wesentlich niedriger als jene des auf einer sich ausbreitenden Flammenfront basierenden herkömmlichen Ottomotors und des auf einer gebundenen, streuenden Flamme basierenden Dieselmotors. Sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren ist die Verbrennungsgastemperatur innerhalb des Gemischs stark heterogen bei sehr hoher lokaler Temperatur, was hohe NOx-Emissionen erzeugt.
  • Motoren, die unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind bei Zweitaktbenzinmotoren, die ein herkömmliches Verdichtungsverhältnis verwenden, erfolgreich demonstriert worden. Es wird geglaubt, dass der hohe Anteil an Verbrennungsgasen, die von dem vorhergehenden Zyklus verbleiben, d. h. der Restinhalt, in der Zweitaktmotor-Verbrennungskammer für das Schaffen der hohen Gemischtemperatur, die erforderlich ist, um eine Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu fördern, verantwortlich ist. Bei Viertaktmotoren mit herkömmlichen Ventilmitteln ist der Restinhalt gering und eine gesteuerte Selbstzündung bei Teillast schwer zu erreichen. Bekannte Verfahren zum Herbeiführen einer gesteuerten Selbstzündung bei Teillast umfassen: 1) die Einlasslufterhitzung, 2) ein variables Verdichtungsverhältnis und 3) das Verschneiden von Benzin mit Kraftstoff, der weitere Selbstzündungsbereiche als Benzin besitzt. Bei allen oben genannten Verfahren ist der Bereich von Motordrehzahlen und Lasten, in dem eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht werden kann, relativ schmal.
  • Motoren, die unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung arbeiten, sind bei Viertakt-Benzinmotoren, die eine variable Ventilbetätigung verwenden, um die erforderlichen Zustände für Selbstzündung in einem stark verdünnten Gemisch zu erreichen, demonstriert worden. Es sind verschiedene Kraftstoffzufuhrsteuerungen, die aufgeteilte Einspritzung und Einzeleinspritzung umfassen, zur Verwendung in Verbindung mit Ventilsteuerstrategien, um über verschiedenartige Motorlastzustände hinweg eine stabile Selbstzündungsverbrennung aufrechtzuerhalten, vorgeschlagen worden.
  • In der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 10/899,457 ist eine beispielhafte Kraftstoffeinspritz- und Ventilstrategie für eine stabile, erweiterte gesteuerte Selbstzündung offenbart. Bei dieser folgt während des Betriebs bei niedriger Last auf eine erste Einspritzung mit einer festen Kraftstoffmenge während der Periode negativer Ventilüberlappung eine zweite Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Kompressionstaktes. Der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung eilt nach, während der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung in kontinuierlicher Weise voreilt, wenn die Motorlast zunimmt. Während des Betriebs mit einer mittleren Teillast unterstützt eine erste Kraftstoffeinspritzung während der Periode negativer Ventilüberlappung, der unmittelbar eine zweite Kraftstoffeinspritzung während des nachfolgenden Ansaugtaktes folgt, die Selbstzündung. Der optimale Abstand der zwei Einspritzungen beträgt etwa 30 bis 60 Grad Kurbelwinkel. Die Einspritzzeitpunkte beider Einspritzungen eilen in kontinuierlicher Weise nach, wenn die Motorlast zunimmt. Außerdem unterstützt während des Betriebs mit hoher Teillast eine einzelne Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes die Selbstzündung. Der Einspritzzeitpunkt eilt nach, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Obwohl die oben umrissenen Fortschritte erfolgreich Fähigkeiten zur gesteuerten Selbstzündung bei stabilen Zuständen nachgewiesen haben, können schnelle Laständerungen oder Lastsprünge unerwünschte Verbrennungsergebnisse einführen.
  • Die Druckschrift EP 1 052 391 A2 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Magermotors mit Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung. Dabei ist eine Steuerung des Einspritzzeitpunkts (FI), des Zündzeitpunkts (SI) und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression vorgesehen. Ferner werden bei einem Lastwechsel Eingangsgrößen des Motors, die die Größen FI, SI und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss synchronisiert.
  • Die Druckschrift AT 005 720 U1 beschreibt eine Brennkraftmaschine, welche mit Otto-Kraftstoff in einem ersten Betriebsbereich selbstgezündet und in einem zweiten Betriebsbereich fremdgezündet betrieben wird.
  • Die Druckschrift DE 198 10 935 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Kompressionszündung, wobei zurückgehaltenes Abgas im Bereich des Ladungswechseltotpunkts komprimiert und anschließend expandiert wird. In dieser Phase des Arbeitszyklus wird Aktivierungskraftstoff zur Stabilisierung der Verbrennung in den Brennraum eingespritzt.
  • Die Druckschrift DE 198 18 596 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine. Bei Teillast wird die Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung und mechanisch gesteuerter Abgasrückhaltung betrieben, während der Betrieb im Volllast- und hohen Teillastbereich ottomotorisch erfolgt.
  • Die Druckschrift DE 199 52 096 C2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung sowie Einlass- und Auslassventilen und einer Einspritzanlage zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum.
  • Die Einlass- und Auslassventile sowie die Einspritzanlage werden derart angesteuert, dass ein bestimmtes Luftverhältnis, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck, ein bestimmter Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung für den jeweils nächsten Zyklus erzeugbar sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einem Motor mit gesteuerter Selbstzündung wird die Verbrennungsphasenlage durch die Ladungstemperatur stark beeinflusst; z. B. verschiebt eine hohe Ladungstemperatur die Verbrennungsphasenlage nach vorn und kann zu einem Klopfen führen, während eine niedrige Ladungstemperatur die Verbrennungsphasenlage verzögert und zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führen kann. Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren für eine robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung von einer niedrigen zu einer höheren Teillast (und umgekehrt) während schnellen Lastsprüngen. Mit der vorliegenden Erfindung wird während Lastsprüngen mittels verschiedener Kombinationen von Einspritzungs- und Ventilstrategien eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten.
  • Bei niedrigen Lasten wird der Motor ungedrosselt mit mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen und gesteuerter Selbstzündung unter Anwendung der Abgasrekompression zum Steuern von Verbrennungstemperaturen betrieben. Bei hoher Teillast ist für die NOx-Emissionssteuerung ein stöchiometrischer Betrieb erforderlich; somit werden für die Verbrennungstemperatursteuerung ein gedrosselter Betrieb und eine externe Abgasrückführung (AGR) zusammen mit einer externen Abgasrückführung hinzugefügt. Für einen stabilen Betrieb bei verschiedenen Lasten und Drehzahlen werden aus Verweistabellen erhaltene Bedingungen für eine stabile Verbrennung verwendet.
  • Im HCCI-Betrieb können schnelle Laständerungen von einer niedrigen zu einer hohen Teillast und zurück zu einer niedrigen Last ohne übermäßige Verbrennungsphasenlagenveränderungen vollbracht werden, indem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (FI), der Zündzeitpunkt (SI) und die negative Ventilüberlappung (NVO) auf die Änderungen des aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses synchronisiert werden. Jedoch erfordern schnelle Laständerungen, die eine vorgegebene Schwelle überschreiten, bei Lastzunahmen, dass NVO-Reduktionen um eine drehzahlabhängige Anzahl von Motorzyklen verzögert werden, um hinreichende Gastemperaturen in den Zylindern aufrechtzuerhalten, um Fehlzündungen zu vermeiden.
  • Im stöchiometrischen Betrieb bei höheren Lasten werden für die Verbrennungstemperatursteuerung die Drosselklappenstellung und die externe AGR zur NVO hinzugefügt. Wo es notwendig ist, werden während schnellen Laständerungen ein höherer Prozentsatz von Restabgas und/oder ein niedrigerer Prozentsatz von Frischluftmasse gefordert, um eine hinreichende Selbstzündungstemperatur aufrechtzuerhalten. Dies kann durch Drosselklappen-, AGR- oder NVO-Einstellung erreicht werden.
  • Es ist eine Optimalwertsteuerung vorgesehen, bei der Steuereingangsgrößen des Motors, die den Zündzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzzeitpunkte und die Ventilsteuerung umfassen, stationären Eingangsgrößen, die der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate entsprechen, gleichgesetzt werden. Im Voraus kalibrierte stationäre Eingangsgrößen sind in Verweistabellen gespeichert, wobei Eingangsgrößen des Motors durch Interpolieren von Werten der stationären Eingangsgrößen in den Verweistabellen anhand der aktuellen Kraftstoffzufuhrrate bestimmt werden.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird, vollständiger verstanden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung, die gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;
  • 2 ist ein Graph des Ventilhubs über dem Kurbelwinkel für das Einphasen von Auslass- und Einlassventilen einer Viertakt-Brennkraftmaschine, die gemäß einer beispielhaften Steuerung für gesteuerte Selbstzündung, die eine zweistufige variable Ventilbetätigung mit dualer Nockenwellenverstellung bei verschiedenen Lasten arbeitet;
  • 3A ist ein Graph von typischen Einlass- und Auslassventilereignissen über dem Kurbelwinkel mit beispielhaften Einspritzstrategien für gesteuerte Selbstzündung für einen Motorbetrieb mit niedriger, mittlerer bzw. höherer Teillast;
  • 3B ist ein Graph einer typischen Zylinderdruckhistorie über dem Kurbelwinkel für eine beispielhafte Ventilstrategie für gesteuerte Selbstzündung und Abgasrekompression;
  • 4 ist ein Graph einer beispielhaften Gesamt-Betriebsstrategie über der Motorlast für Auslass- und Einlassventile, der Kraftstoffeinspritzung und der Betriebsart für eine Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine, die gemäß beispielhaften Steuerungen für gesteuerte Selbstzündung unter Verwendung eines zweistufigen variablen Ventilbetätigungssystems mit dualer Nockenwellenverstellung arbeitet;
  • 5 ist ein Schema eines beispielhaften Controllers, mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung während verschiedener Lastsprünge eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten wird;
  • 6 ist ein Graph des gemessenen indizierten mittleren wirksamen Drucks (IMEP) über Motorzyklen während eines schnell wechselnden Lastsprungs von 5 auf 12 mg/Zyklus bei einer Kraftstoffänderungsrate von 7 mg/s und einer Phasenstelleränderungsrate von 35 Grad/s;
  • 7 ist ein Graph der Ventilhubprofile, die für einen Test unter Raumtemperatur der Einlassluft-, Öl- und Kühlmitteltemperaturen bei einem Lastsprung von 8,5–14 mg/Zyklus verwendet wurden;
  • 8 ist ein Graph des gemessenen IMEP über Motorzyklen während eines Raumtemperatur-Lastsprungtests bei einer Kraftstoffänderungsrate von 14 mg/s und einer Phasenstelleränderungsrate von 70 Grad/s;
  • 9 ist ein Graph der eingespritzten Kraftstoffmasse/Zyklus über Motorzyklen für einen Test bei stufenartigem Lastsprung und einem voreilenden, einem normalen und einem verzögerten NVO-Zeitpunkt;
  • 10 ist ein Graph der NVO-Position über Motorzyklen während des Lastsprungtests von 9;
  • 11 ist ein Graph des gemessenen IMEP über Motorzyklen während des Lastsprungs von 9;
  • 12 ist ein Graph des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über Motorzyklen während des Lastsprungtests von 9;
  • 13 ist ein Graph des Kraftstoffeinspritzplans und der Betriebsbedingungen, die verwendet wurden, um eine Verzögerungs-Kraftstoffabschaltung (deceleration fuel cut-off, DFCO) und des Wiederzündens zu simulieren;
  • 14 ist ein Graph von Ventilhubprofilen über dem Kurbelwinkel, die für den DFCO- und Wiederzündungstest von 13 verwendet wurden; und
  • 15 ist ein Graph des gemessenen IMEP über Motorzyklen während des DFCO und Wiederzündens von 13.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Zur Einfachheit richten sich die folgenden Beschreibungen auf die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Einzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, obwohl hervorgehoben werden soll, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf Mehrzylinder-Benzin-Viertakt-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung anwendbar ist. Zum Implementieren der verschiedenen Steuerungen und der Erfassung der verschiedenen hier konkretisierten Daten wurde eine Viertakt-Einzylinder-0,55-Liter-Brennkraftmaschine verwendet. Sofern nicht speziell anders besprochen wird angenommen, dass alle solche Implementierungen und Erfassungen unter Standardbedingungen ausgeführt werden, was von einem Fachmann verstanden wird. Die vorliegende Erfindung wird in ihrer Anwendung auf einen Motor mit zwei Ventilen pro Zylinder (einem Einlassventil und einem Auslassventil) beschrieben, obwohl hervorgehoben werden soll, dass die vorliegende Erfindung ebenso auf einen Motor mit mehreren Ventilen pro Zylinder anwendbar ist. Obwohl die vorliegende Erfindung auf jede Strategie mit variabler Ventilbetätigung (variable valve actuation, VVA) unter Verwendung entweder eines voll flexiblen elektrohydraulischen Systems oder eines elektromechanischen Systems anwendbar ist, basiert außerdem das Beispiel, das nachstehend verwendet wird, um unsere Steuerstrategie zu veranschaulichen, auf einem zweistufigen VVA-System mit dualer Nockenwellenverstellung.
  • Um zunächst auf 1 der Zeichnungen näher einzugehen, gibt das Bezugszeichen 10 allgemein eine schematische Darstellung einer beispielhaften Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung an. In der Figur ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 beweglich und definiert in dem Zylinder 12 eine Verbrennungskammer 13 mit variablem Volumen. Ein Einlasskanal 14 führt Luft in die Verbrennungskammer 13. Der Luftstrom in die Verbrennungskammer 13 wird durch ein Einlassventil 15 gesteuert. Verbrennungsgase können über einen Auslasskanal 16, der durch ein Auslassventil 17 gesteuert wird, aus der Verbrennungskammer 13 strömen.
  • Der beispielhafte Motor 10 besitzt einen hydraulisch gesteuerten Ventiltrieb mit einem elektronischen Controller 18, der programmierbar ist und das Öffnen und Schließen sowohl des Einlassventils 15 als auch des Auslassventils 17 hydraulisch steuert. Der elektronische Controller 18 steuert die Bewegung des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17 unter Beachtung der Positionen der Einlass- und Auslassventile 15 und 17, wie sie von zwei Positionsmesswandlern 19 und 20 gemessen werden. Der Controller 18 bezieht sich auch auf die Winkelposition des Motors, wie sie durch einen Umdrehungssensor 21, der mit der Motorkurbelwelle 22 verbunden ist, angegeben wird. Die Kurbelwelle 22 ist durch einen Verbindungsstab 23 mit dem sich in dem Zylinder 12 hin- und herbewegenden Kolben 11 verbunden. Eine Benzin-Direkteinspritzvorrichtung 24, die durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird dazu verwendet, Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 13 einzuspritzen. Die dem Controller 18 zugeschriebenen verschiedenen Funktionen können durch mehrere getrennte, jedoch koordinierte Controller, die für die verschiedenen Aufgaben geeignet sind, gleichfalls ausgeführt werden.
  • Eine Zündkerze 25, die ebenfalls durch den elektronischen Controller 18 gesteuert wird, wird dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung des Motors bei bestimmten Zuständen (z. B. während des Kaltstarts und in der Nähe der Niedriglast-Betriebsgrenze) zu erweitern. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, sich in der Nähe der Betriebsgrenze für hohe Teillast unter gesteuerter Selbstzündungsverbrennung und während Betriebszuständen mit hoher Drehzahl/Last mit gedrosseltem oder nicht gedrosseltem SI-Betrieb auf die Funkenzündung zu stützen.
  • 2 zeigt die Steuerbewegungen des Einlassventils 15 und des Auslassventils 17, wobei die Ventilhubprofile als Funktion des Kurbelwinkels für das Auslassventil 17 und das Einlassventil 15 der Viertakt-Brennkraftmaschine, die mit beispielhaften Steuerungen für gesteuerte Selbstzündung (HCCI-Verbrennung) arbeitet, gezeigt sind.
  • Die Bewegung des Auslassventils ist durch die fetten Linien 17 gezeigt, während die Bewegung des Einlassventils durch die gestrichelten Linien 15 angegeben ist. Das Auslassventil 17 schließt früh bei einem variablen Winkel vor dem oberen Auslass/Einlass-Totpunkt (OT 360 Grad), während das Einlassventil 15 spät öffnet, vorzugsweise bei einem gleichen Winkel nach OT. Die Zwischenperiode, wenn beide Ventile geschlossen sind, wird als negative Ventilüberlappung (negative valve overlap, NVO) bezeichnet. Die paarweisen Auslass-/Einlassventilprofile 17, 15, die von dem Paar, das am engsten beieinander liegt, bis zu dem Paar, das am weitesten auseinander liegt, gehen, repräsentieren eine NVO, die mit abnehmenden Motorlasten (NMEP) von nacheinander 350, 285, 215 und 144 kPa zunimmt. Diese Ventilbewegung kann durch ein duales Nockenwellenverstellsystem oder durch irgendwelche anderen Vorrichtungen, die solche Ventilprofile erzeugen können, erreicht werden.
  • Mit dieser Strategie wird die negative Ventilüberlappung (NVO) durch gleichzeitiges Einphasen sowohl der Einlass- als auch der Auslasshubprofile verändert. Es ließ sich experimentell bestätigen, dass zum Aufrechterhalten einer optimalen Selbstzündungsverbrennung über den gesamten Lastbereich die erforderliche Periode negativer Ventilüberlappung mit abnehmender Motorlast linear zunimmt, wobei diese Beziehung in 2 veranschaulicht ist.
  • 3A zeigt beispielhafte Einspritzstrategien während des Motorbetriebs mit niedriger, mittlerer bzw. hoher Teillast. Außerdem sind in 3A beispielhafte Einlass- und Auslassventilereignisse gezeigt, während in 3B die Zylinderdruckhistorie in Entsprechung mit solchen beispielhaften Ventilereignissen gezeigt ist.
  • Während des Betriebs mit niedrigerer Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung zweimal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch beabstandete Balken 27, 28 angegeben ist. Die erste Einspritzung 27 zwischen etwa 300 und 350 nach OT, Verbrennung, sprüht eine feste Menge an Benzin oder äquivalentem Kraftstoff in das während der Periode negativer Ventilüberlappung in dem Zylinder eingeschlossene Hochtemperatur- und Hochdruckabgas. Der Einspritzzeitpunkt für die erste Einspritzung wird in kontinuierlicher Weise verzögert, wenn die Motorlast zunimmt. Der Kraftstoff wird teilweise oxidiert und in reaktionsfähigere chemische Spezies umgewandelt, wobei Energie freigesetzt wird. Die Menge der reaktionsfähigeren chemischen Spezies und die Energie ändern sich mit der Quantität und dem Zeitpunkt von bei der ersten Einspritzung eingespritztem Kraftstoff und der Periode negativer Ventilüberlappung (NVO).
  • Wie in 3B gezeigt ist, werden die eingeschlossenen Gase in der NVO-Periode zum Ende des Ausstoßtaktes hin, zwischen etwa 300 und 360 Grad nach OT, nachdem das Auslassventil schließt, zuerst verdichtet. Das verdichtete Kraftstoff- und Abgasgemisch wird dann während des frühen Teils des Ansaugtaktes, wenn sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geschlossen sind, expandiert. Der Zylinderdruck fällt auf etwa den Umgebungsdruck ab, zu welcher Zeit das Einlassventil öffnet, um Frischluft in die Verbrennungskammer einzuleiten. Während des Kompressionstaktes wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung bei 28 wieder für eine zweite Einspritzung von Benzin in die Verbrennungskammer zwischen 60 und 20 Grad vor OT, Verbrennung, aktiviert. Dieser Einspritzzeitpunkt wird gewählt, um einen rauchfreien Betrieb sicherzustellen, und wird entweder durch den Einspritzvorrichtungs-Sprühkegelwinkel oder die Menge an eingespritzter Kraftstoff beeinflusst.
  • Der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung wird in kontinuierlicher Weise vorverlegt, wenn die Motorlast zunimmt. Die Eindringung und die Streuung des Kraftstoffnebels werden dank einer höheren Zylinderladungstemperatur und einer höheren Zylinderladungsdichte unterdrückt. In der Verbrennungskammer wird ein örtlicher fetter Gemischbereich gebildet. Die Spezies, die durch Benzinumwandlung nach der ersten Kraftstoffeinspritzung gebildet werden, wirken mit dem durch die zweite Kraftstoffeinspritzung gebildeten örtlichen fetten Gemisch zusammen, um unter einem relativ niedrigen Verdichtungsverhältnis ohne Unterstützung eines Zündfunkens im Vergleich zu einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis, das bei einem Dieselmotor verwendet wird, die Selbstzündung von Benzin zu erreichen.
  • Während des Betriebs mit mittlerer Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ebenfalls zweimal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch benachbarte Balken 29, 30 gezeigt ist. Die erste Einspritzung 29 sprüht ähnlich wie jene, die bei dem Betrieb mit niedriger Teillast verwendet wird, zwischen etwa 300 und 360 Grad nach OT, Verbrennung, Benzin in die Verbrennungskammer. Die zweite Einspritzung 30 jedoch beginnt etwa 30 bis 60 Grad nach dem Ende der ersten Einspritzung. Beide Einspritzungen werden während der Periode negativer Ventilüberlappung und des nachfolgenden Ansaugtaktes ausgeführt. Die Einspritzzeitpunkte beider Einspritzungen werden in kontinuierlicher Weise verzögert, wenn die Motorlast zunimmt. Das Ziel ist, eine aufgeteilte Einspritzung zum Steuern der Benzinumwandlung und somit des Selbstzündungsprozesses zu verwenden. Sowohl für einen Betrieb bei niedriger Last als auch für einen Betrieb bei mittlerer Teillast reichen 1–3 mg Kraftstoff für die erste Einspritzung 29 aus. Der restliche Kraftstoff wird während der zweiten Einspritzung 30 eingespritzt.
  • Während des Betriebs mit hoher Teillast wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nur einmal während eines einzelnen Motorzyklus aktiviert, wie durch den Balken 31 gezeigt ist. Der Einspritzzeitpunkt variiert zwischen 340 und 490 Grad nach OT, Verbrennung, in Abhängigkeit von der Motorlast. Der Einspritzzeitpunkt wird verzögert, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Der Übergang von einer Einspritzstrategie zu einer anderen während einer Laständerung wird geregelt, was sowohl die Motorleistung als auch die Emissionen günstig beeinflusst. Während des Betriebs mit niedriger Teillast ist beispielsweise die aufgeteilte Einspritzung – wobei die erste Einspritzung 27 während der Periode negativer Ventilüberlappung stattfindet und die zweiten Einspritzung 28 während des Kompressionstaktes stattfindet – die einzige Einspritzstrategie, die sich als geeignet erwiesen hat, eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung zu erzeugen. Der Einspritzzeitpunkt für die zweite Einspritzung 28 wird mit zunehmender Motorlast kontinuierlich vorverlegt, um die Streuung von Kraftstoff in dem Zylinderinhalt zu fördern und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des örtlichen Gemischs in einem annehmbaren Bereich zu halten, um übermäßige Emissionen von NOx und Rauch zu vermeiden.
  • Jedoch kann selbst bei dem vorverlegten Einspritzzeitpunkt die Bildung von Stickoxiden (NOx) während des Betriebs bei mittlerer Teillast noch auf unannehmbare Pegel ansteigen. Somit wird bei mittlerer Teillast der Einspritzzeitpunkt der zweiten Kraftstoffeinspritzung 30 von dem Kompressionstakt zu dem Ansaugtakt verschoben, wie in 3A gezeigt ist. Es ließ sich experimentell bestätigen, dass beide Strategien zu einer ähnlichen Motorleistung führen. Obwohl mit der zweiten Kraftstoffeinspritzung 30 während des Ansaugtaktes die NOx-Emission stark reduziert werden kann, nimmt infolge einer Zunahme des in dem Spalt eingeschlossenen Kraftstoffs, der der Verbrennung entweicht, die HC-Emission zu. Die genaue Last, bei der der Übergang stattfindet, wird durch einen Kompromiss hinsichtlich der Emissionen bestimmt.
  • 4 zeigt beispielhafte Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte als Funktion der Motorlast für die Auslass- und Einlassventile einer Einzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine, die bei einer konstanten Drehzahl arbeitet. Die Ventilsteuerung dient als Beispiel für eine Abgasrekompression unter Verwendung eines zweistufigen VVA-Systems mit dualer Nockenwellenverstellung. Auslassventilöffnungen über dem Lastbereich (NMEP) sind durch eine fette Linie 33 gezeigt, während Auslassventilschließungen durch eine gestrichelte Linie 34 gezeigt sind. Einlassventilöffnungen sind durch eine fette Linie 35 gezeigt, während Einlassventilschließungen durch eine gestrichelte Linie 36 gezeigt sind. In 4 sind außerdem die Einspritzstrategie (aufgeteilt gegenüber einzeln) und verschiedene Verbrennungsbetriebsarten als Funktion der Motorlast bei einer beispielhaften konstanten Drehzahl gezeigt.
  • Insbesondere wird der Motor unterhalb von 320 kPa NMEP in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch (HCCI/mager) betrieben. Während dieser Verbrennungsbetriebsart nimmt der NOx-Emissionsindex mit zunehmender Motorlast zu. Bei 320 kPa NMEP beträgt der NOx-Emissionsindex etwa 1 g/kg Kraftstoff. Demgemäß wird der Motor zwischen 320 und 400 kPa NMEP in der Betriebsart der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (HCCI/stöch.) betrieben, um die Verwendung einer herkömmlichen Nachbehandlungsvorrichtung für NOx-Steuerung zu ermöglichen. In dem Abschnitt höherer Last dieser Betriebsart kann die aufgeteilte Einspritzung verwendet werden, um die maximale Rate des Zylinderdruckanstiegs zu begrenzen.
  • Zwischen 400 und 600 kPa NMEP wird der Motor in einer Funkenzündungsbetriebsart, ungedrosselt, stöchiometrisch, mit Last, die durch VVA-Strategien wie etwa eine frühe Einlassventilschließung (SI-NTLC/stöch., wie gezeigt) oder eine späte Einlassventilschließung gesteuert wird, betrieben. Jenseits von 600 kPa NMEP wird der Motor in einer herkömmlichen Betriebsart mit Funkenzündung und gedrosselter Verbrennung mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch (SI-gedrosselt/stöch.) betrieben, bis Volllast erreicht ist. Die aufgeteilte Einspritzung kann in jeder der letzten beiden Betriebsarten verwendet werden, um die maximale Rate des Zylinderdruckanstiegs zu begrenzen.
  • Bei einem Motor mit gesteuerter Selbstzündung wird die Verbrennungsphasenlage stark durch die Ladungstemperatur beeinflusst; z. B. können höhere Ladungstemperaturen die Verbrennungsphasenlage nach vorn verschieben und zu einem Klopfen führen, während niedrige Ladungstemperaturen die Verbrennungsphasenlage verzögern und zu einer Teilverbrennung oder einer Fehlzündung führen können. Durch Anwendung verschiedener Kombinationen von Einspritz- und Ventilstrategien wird während Sprüngen von niedriger auf hohe Teillast (und umgekehrt) mit der vorliegenden Erfindung eine stabile gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten.
  • 5 zeigt einen Schaltplan eines Motorcontrollers 40 gemäß der Erfindung, mit dem während Lastsprüngen eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung erreicht wird. Der Controller 40 umfasst eine Optimalwertsteuerung 42 und eine Regelung 44, die mit zugeordneten Komponenten eines repräsentativen Benzin-Direkteinspritzmotors 46 verbunden sind.
  • Die Optimalwertsteuerung 42 erzielt eine schnelle Systemreaktion. Auf der Grundlage der gewünschten Last und der Motorbetriebsartbedingungen werden anhand von Verweistabellen 57 die erforderlichen Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (FI) und Impulsbreiten (Kraftstoffzufuhrrate) 48, die Ventilbetätigung (einschließlich der negativen Ventilüberlappung (NVO)) 50, der Zündzeitpunkt (SI) 52, die Drosselklappenstellung 54 und die AGR-Ventilstellung 56 berechnet, um die Verbrennungsphasenlage zu steuern. Außerdem werden in Abhängigkeit von den aktuellen Motorbetriebszuständen und der Lastanforderung vom Fahrer variable Ratenbegrenzer 58, 60, 62, 64, 66 verwendet, um die unterschiedliche Dynamik im System, z. B. die Luft- und Kraftstoffdynamik, zu kompensieren, wie später näher besprochen wird.
  • Wie später gezeigt wird, wird während starken Lastsprüngen lediglich durch Verwendung der Optimalwertsteuerung 42 mit kalibrierten Verweistabellen eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten. Obwohl dies hier nicht hervorgehoben wird, wird die Regelung dazu verwendet, die Gesamt-Systemrobustheit weiter zu verstärken.
  • Im Grundbetrieb der Optimalwertsteuerung 42 werden während schnellen Lastsprüngen bei HCCI-(Kompressionszündung mit homogener Ladung)-Motorbetrieb Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens den Zündzeitpunkt (SI), den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (FI) und die Ventilsteuerung (sowie, falls verwendet, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung) umfassen, stationären Eingangsgrößen, die dem aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss (der Kraftstoffzufuhrrate) entsprechen, gleichgesetzt (d. h. mit diesen synchronisiert). In den Verweistabellen 42 sind im Voraus kalibrierte stationäre Eingangsgrößen gespeichert, wobei die Motoreingangsgrößen durch Interpolieren von Werten der stationären Eingangsgrößen in den Verweistabellen bestimmt werden.
  • 6 zeigt die Ergebnisse von Tests mit der vorliegenden Optimalwertsteuerung, die auf Lastsprünge angewandt wurde, wobei sich die Kraftstoffzufuhrrate wiederholt von 5 mg/Zyklus zu 12 mg/Zyklus und umgekehrt änderte. Während des Tests war die Rate der Kraftstoffzufuhränderung auf 7 mg/s festgelegt, betrug die Nockenwellenverstellvorrichtungsreaktion 35 Grad/s und wurde die Einlasskrümmertemperatur auf 90 Grad C geregelt. Die Figur zeigt, dass die Optimalwertsteuerung während schnellen Lastsprüngen eine Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung (controlled auto-ignition, CAI) ohne eine Fehlzündung erzielt.
  • Das obige Beispiel zeigt, dass mit der vorliegenden Erfindung die CAI-Verbrennung während Lastsprüngen unter Betriebsbedingungen eines voll erwärmten Motors ziemlich robust ist. 7 zeigt die Hubprofile für Auslass- und Einlassventile, die für Lastsprungtests zwischen 8,5 und 14 mg/Zyklus in einer Einlassluft-, Öl- und Kühlmittelumgebung bei Raumtemperatur verwendet wurden. Die Hubprofile bleiben während des Lastsprungs unverändert. 8 zeigt den gemessenen IMEP während dieses Lastsprungs bei Raumtemperatur. Die Kraftstoffzufuhrratenänderung war auf 14 mg/s festgelegt, und die Nockenwellenverstellvorrichtungsreaktion war auf 70 Grad/s festgelegt. Es zeigte sich deutlich ein sanfter Lastübergang.
  • Somit ist aufgezeigt worden, dass die Optimalwertsteuerung während Lastsprüngen bei der Rate der Kraftstoffzufuhränderung von bis zu etwa 14 mg/s eine CAI-Verbrennung aufrechterhalten kann. Jedoch erfordert das Verfahren der Optimalwertsteuerung bei einer stufenartigen Kraftstoffzufuhrratenänderung (d. h. einer Kraftstoffzufuhrratenänderung, die größer als etwa 14 mg/s ist) eine geringfügige Modifikation, da der Gradient der Ladungstemperaturänderung, der während eines stufenartigen Kraftstoffzufuhrsprungs für eine stabile Verbrennung erforderlich ist, viel größer als jener ist, der sich durch die anfänglichen Tests herausgestellt hat, und eine genauere Steuerung erfordert. Es sei hervorgehoben, dass die beispielhafte Schwelle für Lastübergangs-Kraftstoffzufuhrratenänderung von im Wesentlichen 14 mg/s lediglich beispielhaft ist und sich auf einen bestimmten Motor bezieht. Somit verändert sich die wirkliche Kraftstoffzufuhrratenschwelle entsprechend der wirklichen Motoranwendung einschließlich beispielsweise entsprechend der Anzahl von Zylindern, der Verdrängung, des Fahrzeuggewichts und der Kraftübertragung.
  • Um den Sprung mit stufenartiger Änderung wirksam zu erläutern, wird das folgende Beispiel angeführt. Erstens wird angenommen, dass es zwei Betriebszustände S1 (Niedriglast) und S2 (Hochlast) gibt, bei denen die Verbrennung im stationären Zustand stabil ist. Außerdem wird angenommen, dass der Motor in S1 betrieben wird. Da die Kraftstoffzufuhrrate in S1 niedriger ist, wäre die stationäre Temperatur des in dem Zylinder eingeschlossenen Restgases niedriger als in S2. Wenn die Kraftstoffzufuhrrate und alle anderen entsprechenden Eingangsgrößen innerhalb eines Motorzyklus von S1 zu S2 wechseln, wäre somit die Temperatur des eingeschlossenen Restgases in dem unmittelbar folgenden Motorzyklus niedriger als jene, die für S2 erforderlich ist, da das Restgas von dem vorhergehenden Zyklus stammt, wo der Motor in S1 gelaufen war. Als Folge wäre die Gesamttemperatur der Zylinderladung niedriger als jene, die erforderlich wäre, was zu einer verzögerten Verbrennungsphasenlage (oder gar zu einer Teilverbrennung oder Fehlzündung) führen würde. Eine Art und Weise, die Zylinderladungstemperatur zu erhöhen, ist, in dem unmittelbar folgenden Zyklus mehr Restmasse oder, was gleichwertig ist, weniger Frischluftmasse in dem Zylinder einzuschließen, was ein fetteres Luft-Kraftstoff-Verhältnis als jenes, das für S2 erforderlich ist, herbeiführt.
  • Ein ähnlicher Gedanke kann für einen Übergang von S2 zu S1 angestellt werden. Es sei angenommen, dass der Motor in dem Betriebszustand S2 läuft. Wenn die Kraftstoffzufuhrrate und alle anderen entsprechenden Eingangsgrößen innerhalb eines Motorzyklus von S2 zu S1 wechseln, wäre die Temperatur des in dem unmittelbar folgenden Motorzyklus eingeschlossenen Restgases höher als jene, die für S1 erforderlich ist, was zu einer voreilenden Verbrennungsphasenlage (oder gar zu einem Klopfen) führen würde. Die Zylinderladungstemperatur kann abgesenkt werden, indem in dem unmittelbar folgenden Zyklus weniger Restmasse oder, was gleichwertig ist, mehr Frischluftmasse in dem Zylinder eingeschlossen wird, was eine magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis als jenes, das für S1 erforderlich ist, herbeiführt.
  • Diese Modifikation ist durch Tests mit einem Einzylindermotor, der mit einer variablen Ventilbetätigung (VVA) ausgestattet war, die eine Nockenwellenverstellvorrichtung emulieren kann, validiert worden. In dem ersten Test wurde die negative Ventilüberlappung (NVO) absichtlich um einen oder zwei Motorzyklen gegenüber der Kraftstoffzufuhrratenänderung verzögert oder vorverlegt, um verschiedene Veränderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während des Sprungs einzuführen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wurde durch einen schnell reagierenden O2-Sensor mit einer Ansprechzeit von 0,15 s an der Austrittsebene des Auslasskanals gemessen. Die Kraftstoffzufuhrrate wechselte innerhalb eines Motorzyklus von 7 mg/Zyklus zu 12 mg/Zyklus (und umgekehrt). Der Motor war vollständig erwärmt, und die Motordrehzahl wurde während des Tests auf 1000 min–1 gehalten.
  • Die 9–12 zeichnen die Testergebnisse auf. Es wurden vier verschiedene NVO-Zeiteinstellungen in Bezug auf den Kraftstoffzufuhränderungszeitpunkt in vier verschiedenen Läufen, die, wo von Belang, durch die Bezugszeichen 70 (1 Zyklus Voreilung), 72 (keine Verzögerung), 74 (1 Zyklus Verzögerung) und 76 (2 Zyklen Verzögerung) angegeben sind, verwendet. Der Zeitpunkt der Kraftstoffzunahmestufen ist auf den Zyklus 51 festgelegt, jedoch variiert der Zeitpunkt der Kraftstoffabnahmestufen, der nicht von Belang ist. 9 zeigt die Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die alle unmittelbar innerhalb eines Zyklus auftraten. 10 zeigt die NVO-Änderungen, die in aufeinander folgenden Zyklen begannen und während der Lastsprünge sanft vor sich gingen.
  • 11 zeigt die Veränderungen des gemessenen indizierten mittleren wirksamen Drucks (IMEP). Die Lastzunahme war bei einer NVO mit einem Zyklus Verzögerung, 74, oder 2 Zyklen Verzögerung, 76, höchst stabil. Hingegen war die Lastabnahme bei keiner Verzögerung, 72, oder 1 Zyklus Voreilung, 70, höchst stabil. 12 zeigt die Veränderungen des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, deren Stabilitätsergebnisse jenen des IMEP gleichen. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass, wie von der früheren Besprechung erwartet worden war, die Verbrennung stabil aufrecht erhalten werden kann, wenn lediglich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des Drückens des Fahrpedals (Kraftstoffzufuhrratensteigerung) geringfügig fetter ist und während des Loslassens des Fahrpedals (Kraftstoffzufuhrratenreduktion) geringfügig magerer ist.
  • Zusammengefasst ist es bei dem modifizierten Verfahren bei einer schnellen Kraftstoffzufuhrratenänderung wie etwa einer stufenartigen Änderung zugunsten eines zufrieden stellenden Lastsprungs erforderlich, NVO während des Drückens des Fahrpedals um einen oder mehrere drehzahlabhängige Motorzyklen zu verzögern. Jedoch besteht während des Loslassens des Fahrpedals keine Notwendigkeit, NVO zu verzögern.
  • Die Erfindung verwendet dann, wenn die angeforderte Kraftstoffänderungsrate schneller als etwa 14 mg/s ist, vorzugsweise variable Ratenbegrenzer, um die Änderungsraten von Eingangsgrößen des Motors (wie etwa den Betrag der Kraftstoffeinspritzung, die Nockenwellenphase usw.) zu steuern, um während des Drückens des Fahrpedals ein fetteres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzielen und hingegen während des Loslassens des Fahrpedals ein magereres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzielen. Die Größe der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Abweichung von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Einstellpunkt während eines Sprungs wird in Abhängigkeit von der Lastanforderung des Fahrers und dem Betriebszustand im Voraus kalibriert.
  • Falls die angeforderte Kraftstoffänderungsrate langsamer als etwa 14 mg/s ist, werden die Änderungen der Kraftstoffzufuhrrate und die Nockenwellenverstellvorrichtungsposition (NVO-Einstellung) einfach synchronisiert, um einen sanften Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergang zu erzielen, da die Auswirkung von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Abweichungen auf die Verbrennung minimal ist.
  • Ein anderes Bespiel einer speziellen Art von Lastsprung beinhaltet eine Verzögerungs-Kraftstoffabschaltung (DFCO) und ein Wiederzünden. Der Motor wird für 25 s mit einer Kraftstoffzufuhrrate (Last) von 6 mg/Zyklus betrieben. Danach wird der Kraftstoff abgeschaltet. Nach einer Schließdauer von etwa 5 s zündet der Motor erneut bei einer stufenartigen Kraftstoffänderung von 5 mg/Zyklus, die nahe bei der Niedriglast-Betriebsgrenze des Motors liegt. Versuche mit unterschiedlichen Kraftstoffratenänderungen während des Wiederzündens führten alle zu Fehlzündung und Teilverbrennungen. Es wurden Tests mit einer stufenartigen Kraftstoffänderung während des Wiederzündens unter Anwendung einer Strategie der aufgeteilten Kraftstoffeinspritzung durchgeführt, die eine erste Einspritzung genau vor dem Ansaugtakt und eine zweite Einspritzung spät in dem Kompressionstakt umfasste.
  • 13 zeigt den Kraftstoffeinspritzplan und die entsprechenden Motorbetriebszustände. Es sei angemerkt, dass aufeinander folgende Messungen durchgeführt wurden, um die Wiederholbarkeit der Tests zu demonstrieren. 14 zeigt die Ventilhubprofile, die für den DFCO- und Wiederzündungstest verwendet wurden. Es sei angemerkt, dass die Ventilhubprofile während des Tests unverändert bleiben. 15 zeigt den während des DFCO- und Wiederzündungstests gemessenen IMEP. Die Figur zeigt deutlich ein erfolgreiches Wiederzünden ohne Teilverbrennung oder Fehlzündung. Jedoch wurde unmittelbar nach dem Wiederzünden eine etwas starke IMEP-Schwankung beobachtet.
  • Wohlgemerkt sind die weit reichenden Konzepte der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Verwendung zusammen mit dem beispielhaften Optimalwertsteuerung/Regelung-Steuersystem, auf das bei der Anwendung verwiesen worden ist, begrenzt. Auch ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Steuerungen begrenzt, die wie hier besprochen auf Verweistabellen basieren. Ferner können bei einem Motor, der über seinen vollen Betriebsbereich in mehreren Betriebsarten betreibbar ist, manche Motor-Steuereingangsgrößen, die in einer Betriebsart verwendet werden, in einer anderen Betriebsart inaktiv sein.
  • Obwohl die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, könnten im Umfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte und deren Leitgedanken entsprechend zahlreiche Änderungen vorgenommen werden. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern den vollen Umfang, der durch die Sprache der folgenden Ansprüche zugelassen wird, besitzt.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern eines Magermotors mit Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung während Lastsprungvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses, des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI) und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und a) Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme von einem stabilen Zustand bei niedrigerer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei höherer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens zwei der Größen FI, SI und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss und/oder b) Steuern des Motors während einer schnellen Lastabnahme von einem stabilen Zustand bei höherer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei niedrigerer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens zwei der Größen FI, SI und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss, wobei schnelle Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, angefordert werden und das Verfahren ferner umfasst: Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme, um das Zylinder-Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern, indem während der schnellen Lastzunahme 1) ein höherer Prozentsatz von Restgas und/oder 2) ein niedrigerer Prozentsatz von Frischluftmasse, als nach Abschluss der schnellen Laständerung für einen robusten, stabilen Betrieb des Motors erforderlich wäre, in jeder Zylinderladung bereitgestellt wird, um eine zum Selbstzünden des Gemischs während der Zunahme des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses hinreichende Temperatur zu schaffen, was während der nachfolgenden Motorzyklen zu einer erhöhten Zylindergemischtemperatur führt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der höhere Prozentsatz von Restgas durch Verzögern der angeforderten Änderung von NVO um eine drehzahlabhängige Anzahl von Motorzyklen bereitgestellt wird.
  3. Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors mit gesteuerter Selbstzündung unter stöchiometrischem Betrieb während Lastsprungvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses, des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI), der Drosselklappenstellung, der Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und a) Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme von einem stabilen Zustand bei niedrigerer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei höherer Last durch Synchronisieren von gesteuerten Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss und/oder b) Steuern des Motors während einer schnellen Lastabnahme von einem stabilen Zustand bei höherer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei niedrigerer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss, wobei schnelle Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, angefordert werden und das Verfahren ferner umfasst: Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme, um das Zylinder-Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern, indem während der schnellen Lastzunahme 1) ein höherer Prozentsatz von Restgas und/oder 2) ein niedrigerer Prozentsatz von Frischluftmasse, als nach Abschluss der schnellen Lastzunahme für einen robusten, stabilen Betrieb des Motors erforderlich wäre, in jeder Zylinderladung bereitgestellt wird, um eine zum Selbstzünden des Gemischs während der Zunahme des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses hinreichende Temperatur zu schaffen, was während der nachfolgenden Motorzyklen zu einer erhöhten Zylindergemischtemperatur führt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der höhere Prozentsatz von Restgas durch Verzögern der angeforderten Änderung von wenigstens einer der Größen NVO, Drosselklappenstellung und AGR-Ventileinstellung um eine drehzahlabhängige Anzahl von Motorzyklen bereitgestellt wird.
  5. Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors mit gesteuerter Selbstzündung während Lastsprungvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses, des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI), der Drosselklappenstellung, der Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und a) Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme von einem stabilen Zustand bei niedrigerer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei höherer Last durch Synchronisieren von gesteuerten Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss und/oder b) Steuern des Motors während einer schnellen Lastabnahme von einem stabilen Zustand bei höherer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei niedrigerer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss, wobei der Motor bei mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben wird und FI, SI und NVO während einer schnellen Lastzunahme und/oder einer schnellen Lastabnahme alle auf den aktuelle Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss synchronisiert werden, und wobei schnelle Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, angefordert werden und das Verfahren ferner umfasst: Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme, um das Zylinder-Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern, indem während der schnellen Lastzunahme 1) ein höherer Prozentsatz von Restgas und/oder 2) ein niedrigerer Prozentsatz von Frischluftmasse, als nach Abschluss der schnellen Laständerung für einen robusten, stabilen Betrieb des Motors erforderlich wäre, in jeder Zylinderladung bereitgestellt wird, um eine zum Selbstzünden des Gemischs während der Zunahme des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses hinreichende Temperatur zu schaffen, was während der nachfolgenden Motorzyklen zu einer erhöhten Zylindergemischtemperatur führt.
  6. Verfahren zum Steuern eines Direkteinspritzmotors mit gesteuerter Selbstzündung während Lastsprungvorgängen, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand innerhalb eines Lastbereichs der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) mit Kraftstoff-Luft-Dünngemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses, des Einspritzzeitpunktes (FI), des Zündzeitpunktes (SI), der Drosselklappenstellung, der Abgasrückführungs-(AGR)-Ventileinstellung und der durch negative Ventilüberlappung (NVO) zwischen dem Schließen der Auslassventile und dem Öffnen der Einlassventile in jedem Zylinder erhaltenen Rekompression; und a) Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme von einem stabilen Zustand bei niedrigerer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei höherer Last durch Synchronisieren von gesteuerten Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss und/oder b) Steuern des Motors während einer schnellen Lastabnahme von einem stabilen Zustand bei höherer Last in einen gewünschten stabilen Zustand bei niedrigerer Last durch Synchronisieren von Eingangsgrößen des Motors, die wenigstens drei der Größen FI, SI, Drosselklappenstellung, AGR-Ventileinstellung und NVO umfassen, auf den aktuellen Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss, wobei der Motor bei stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben wird und wenigstens FI und SI während einer schnellen Lastzunahme und/oder einer schnellen Lastabnahme auf den aktuelle Kraftstoffzufuhr-Massendurchfluss synchronisiert werden, und wobei schnelle Kraftstoffzufuhrratenänderungen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, angefordert werden und das Verfahren ferner umfasst: Steuern des Motors während einer schnellen Lastzunahme, um das Zylinder-Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern, indem während der schnellen Lastzunahme 1) ein höherer Prozentsatz von Restgas und/oder 2) ein niedrigerer Prozentsatz von Frischluftmasse, als nach Abschluss der schnellen Lastzunahme für einen robusten, stabilen Betrieb des Motors erforderlich wäre, in jeder Zylinderladung bereitgestellt wird, um eine zum Selbstzünden des Gemischs während der Zunahme des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses hinreichende Temperatur zu schaffen, was während der nachfolgenden Motorzyklen zu einer erhöhten Zylindergemischtemperatur führt.
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