DE112006000527T5 - Verfahren für den Übergang zwischen einer Betriebsart mit gesteuerter Selbstzündung und einer Betriebsart mit Funkenzündung bei Motoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Verfahren für den Übergang zwischen einer Betriebsart mit gesteuerter Selbstzündung und einer Betriebsart mit Funkenzündung bei Motoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern des Übergangs zwischen Verbrennungsbetriebsarten eines Direkteinspritzmotors, der bei niedrigeren Lasten in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) und bei höheren Lasten in einer Betriebsart der Funkenzündungs-Flammenausbreitung (SI) betreibbar ist, wobei der Motor ein System mit variabler Ventilbetätigung einschließlich einer zweistufigen Ventilbetätigung mit hohem und mit niedrigem Hub und einer separaten Nockenwellenverstellung sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand mit Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses (der Kraftstoffzufuhrrate), des Einspritzzeitpunktes (FI), der 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
Steuern des Motors während Betriebsartwechseln zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI-Betriebsart durch Umschalten der Auslass- und Einlassventile zwischen einem niedrigen Hub für den...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für einen robusten Übergang zwischen einer Verbrennung mit gesteuerter Selbstzündung und einer Verbrennung mit Funkenzündungs-Flammenausbreitung bei Benzin-Direkteinspritzmotoren.
  • 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 compres sion 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 die Selbstzündung ausgelöst, 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 Zustande 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 mit niedriger Teillast 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.
  • Zugunsten der höchsten Kraftstoffeinsparung ist von niedriger Last bis zu hohen Teillasten der Betrieb mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis die bevorzugte Betriebsart. Wenn die Motorlast oder die Kraftstoffzufuhrrate zunimmt, nimmt jedoch auch die NOx-Emission aus dem Motor zu. Oberhalb einer bestimmten Motorlast kann der Pegel der NOx-Emission einen Grenzwert überschreiten. Der Umwandlungswirkungsgrad der NOx-Nachbehandlung verkleinert sich drastisch, wenn zusammen mit dem mageren Motorbetrieb eine herkömmliche Dreiwege-Nachbehandlungsvorrichtung verwendet wird. Daher ist an einem bestimmten Punkt, wenn die Last zunimmt, ein Umschalten von einem mageren Motorbetrieb zu einem stöchiometrischen notwendig, damit die herkömmliche Dreiwege-Nachbehandlungsvorrichtung für eine wirksame NOx-Emissionssteuerung verwendet kann.
  • Eine weitere Streckung der Betriebsgrenze für mittlere Last einer Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung, die für die Verwendung eines herkömmlichen Dreiwege-Nachbehandlungssystems als Emissionssteuervorrichtung geeignet ist, kann erreicht werden, indem eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit der Fähigkeit zur Mehrfacheinspritzung und eine Zündkerze verwendet werden. Eine erste Kraftstoffeinspritzung erfolgt früh während des Ansautaktes, um in der Nähe des Endes des Kompressionstaktes in der gesamten Verbrennungskammer ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Eine zweite Kraftstoffeinspritzung erfolgt entweder im späten Teil des Ansaugtaktes oder im Kompressionstakt, um ein Schichten-Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, wobei in der Nähe der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Die Zündkerze wird dazu verwendet, das zündfähige Gemisch zu zünden, wobei ihre Ansteuerung die Verbrennungsphasenlage stark beeinflusst. Die Funkenzündungsverbrennung arbeitet als Zündquelle zum Auslösen der Selbstzündung des umgebenden Magergemischs, um bei einem Zielkurbelwinkel nach OT des Kompressionstaktes verbrannt zu werden. In dieser Weise wird ein Mischbetriebsart-Verbrennungsprozess verwirklicht, der aus zwei einzelnen, jedoch zusammenhängenden Prozessen besteht. Ferner wird der Motor bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit externer AGR-Verdünnung betrieben, so dass eine herkömmliche Nachbehandlungsvorrichtung für die Steuerung der Emission aus dem Motor ausreichend ist. Die externe AGR-Verdünnung wirkt außerdem als wirksamer Verbrennungsraten-Steuerparameter während der Selbstzündungsverbrennungsphase. Die Hochlastgrenze einer Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung wird bei annehmbarer maximaler Rate des Druckanstiegs oder der Amplitude der Druckschwingung um mehr als 10 % erweitert.
  • Obwohl die oben umrissenen Fortschritte erfolgreich Fähigkeiten zur gesteuerten Selbstzündung bei stabilen Zuständen nachgewiesen haben, können schnelle Laständerungen oder Lastübergänge unerwünschte Verbrennungsergebnisse einführen. Die gemeinsam übertragene und gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung ___/________ (Anwaltszeichen Nr. GP-306189) beschreibt ein System und ein Verfahren für eine robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung während Lastübergängen zwischen einer niedrigen Last und einer hohen Teillast. Für Motoroperationen mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ohne externe AGR ist eine Optimalwertsteuerung mit Verweistabellen und Ratenbegrenzern ausreichend, um sicherzustellen, dass während Übergängen von niedriger Last zu hoher Teillast (und umgekehrt) keine Fehlzündung und keine Teilverbrennung eintritt. Jedoch kommt Lastübergängen zwischen einer hohen Teillast und einer mittleren Last eine Regelung zugute, so dass einer Fehlzündung oder Teilverbrennungen hinreichend entgegengewirkt wird. Die gemeinsam übertragene und gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung ____/_______ (Anwaltszeichen Nr. GP-306458) beschreibt ein Sys tem und ein Verfahren für eine robuste Selbstzündungsverbrennungssteuerung während Lastübergängen zwischen einer hohen Teillast und einer mittleren Last.
  • Bei allen Versuchen, den Bereich des Motorbetriebs mit gesteuerter Selbstzündung, wie oben beschrieben zu erweitern, wird eine Grenze erreicht, über die hinaus keine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung möglich ist. Um den Motor über die gesamten benötigten Drehzahl- und Lastbereiche zu betreiben, wird ein herkömmlicher SI-Motorbetrieb benötigt. Daher werden sanfte Übergänge zwischen der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung und der herkömmlichen SI-Verbrennung gefordert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Übergang zwischen einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung (HCCI-Verbrennung) und einer Flammenausbreitungsverbrennung (SI) bei Direkteinspritzmotoren, die mit Benzin oder anderen ähnlichen Kraftstoffen gespeist werden. Das Verfahren verwendet eine Kombination aus einer Optimalwertsteuerung mit Verweistabellen, die die Kraftstoffeinspritzung, den Zeitpunkt und den Hub der variablen Ventilbetätigung, den Zündzeitpunkt und die Drosselklappen- und AGR-Ventilstellungen enthalten, und einer damit gekoppelten Regelung, die Ventilbetätigungs-, Drosselklappen- und AGR-Ventilstellungen verwendet. Außerdem werden Verfahren zur genauen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung während eines Betriebsartübergangs, um eine Fehlzündung und Teilverbrennungen auszuräumen, vorgeschlagen.
  • Es kann eine Optimalwertsteuerung vorgesehen sein, bei der Eingangsgrößen des Motors, die den Zündzeitpunkt, den Kraftstoffeinspritzzeit- Punkt und die Ventilsteuerung umfassen, kontinuierlich 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. Um die unterschiedliche Dynamik im System zu kompensieren, etwa durch Steuern der Raten der Luft- und Kraftstoffzuführung, um mit den gewünschten Übergängen synchron zu gehen, werden Ratenbegrenzer verwendet.
  • Es kann eine Regelung vorgesehen sein, um die Ausgangsgrößen der Optimalwertsteuerung so abzugleichen, dass sie zugunsten einer optimalen Leistung genauer mit den gewünschten Eingangseinstellungen übereinstimmen.
  • 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 Lastübergänge eine robuste gesteuerte Selbstzündungsverbrennung aufrechterhalten wird;
  • 6 ist ein Graph, der die genaue Struktur der bei der Optimalwertsteuerung verwendeten Verweistabelle zeigt;
  • 7A-7D sind Graphen von vier Ventilbetätigungspositionen bei der VVA-Strategie 1 für einen Übergang von HCCI-Betrieb über SI-NTLC-Betrieb zu SI-gedrosselt-Betrieb;
  • 8A u. B sind Graphen von zwei Ventilbetätigungspositionen bei der VVA-Strategie 2 für einen direkten Übergang von HCCI-Betrieb zu SI-gedrosselt-Betrieb;
  • 9A u. B sind Diagramme, die stabile Betriebsbedingungen für die HCCI/stöch.-Betriebsart und die SI/NTLC-Betriebsart vor und nach einem Übergang auflisten;
  • 10 ist ein Diagramm, das die Testfälle 1-6 auflistet;
  • 11-13 sind zusammengesetzte Graphen aller Testergebnisse für die Fälle 1-3;
  • 14A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die Ventilöffnungs- bzw. Veritilschließzeitpunkte für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI zeigen;
  • 15A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die die NVO bzw. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI zeigen;
  • 16A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die den gemessenen Ort des Spitzendrucks (LLP) bzw. die maximale Rate des Druckanstiegs für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI zeigen;
  • 17 ist ein zusammengesetzter Graph, der den gemessenen IMEP für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI zeigt;
  • 18A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die Kurbelwinkelstellungen für berechnete 10-%- und 50-%-Anteile verbrannter Kraftstoffmasse für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI zeigen;
  • 19 ist ein zusammengesetzter Graph, der die berechnete Energiefreisetzungsrate über der Anzahl von Zyklen für den Fall 1 des Übergangs von SI zu HCCI zeigt;
  • 20-22 sind zusammengesetzte Graphen aller Testergebnisse für die Fälle 4-6;
  • 23A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die Ventilöffnungs- bzw. Ventilschließzeitpunkte für die Fälle 4-6 des Übergangs von HCCI zu SI zeigen;
  • 24A u. B sind zusammengesetzte Graphen, die die NVO bzw. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die Fälle 4-6 des Übergangs von HCCI zu SI zeigen;
  • 25 ist ein zusammengesetzter Graph, der den gemessenen IMEP für die Fälle 4-6 des Übergangs von HCCI zu SI zeigt.
  • 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 Zustanden (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 Be triebszuständen 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 ab nehmender 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 eingespritztem 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 Ventilüber lappung oder des frühen Abschnitts des 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, um eine optimale Motorleistung und optimale Emissionen aufrechtzuerhalten. 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 durch herkömmliche Funkenzündung 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.
  • Es soll betont werden, dass die Kalibrierungswerte in 4 im Wesentlichen die Werte für 1000 min–1 in der Verweistabelle von 6, die im Folgenden besprochen werden wird, sind. Für andere Motordrehzahlen äußeren sich experimentell Betriebsstrategien hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung, der Ventilsteuerung und der Verbrennung, die zu jenen, die in 4 gezeigt sind, ähnlich sind, wobei lediglich dort, wo verschiedenartige Übergänge stattfinden, Unterschiede in den genauen NMEP-Werten auftreten. Im Allgemeinen nehmen die in 4 berichteten NMEP-Werte für die verschiedenartigen Übergänge mit zunehmender Motordrehzahl ab.
  • Insbesondere nimmt die Hochlast-Betriebsgrenze wegen des geringeren Motorwärmeverlustes mit zunehmender Motordrehzahl ab. Somit nimmt auch der Bereich der gesteuerten Selbstzündungsverbrennung mit zunehmender Motordrehzahl ab.
  • 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. Das Verfahren verwendet eine Kombination aus einer Optimalwertsteuerung mit Verweistabellen und Ratenbegrenzern, die den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (FI), die Ansteuerung der variablen Ventilbetätigung, den Zündzeitpunkt (SI), die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung umfasst, und einer damit verbundenen Regelung, die die Stellung der variablen Ventilbetätigung, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung verwendet. Außerdem werden Verfahren zur genauen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung während eines Betriebsartübergangs, um eine Fehlzündung und Teilverbrennungen auszuräumen, vorgeschlagen.
  • 5 zeigt einen Schaltplan eines Motorcontrollers 40 gemäß der Erfindung, mit dem während Betriebsartübergängen zwischen SI und HCCI eine robuste Verbrennung 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 ist entscheidend dafür, dass eine schnelle Systemreaktion erzielt wird, und umfasst zwei Hauptelemente, nämlich Verweistabellen und Ratenbegrenzer. Auf der Grundlage der gewünschten Last und der Motorbetriebszustände werden anhand der Verweistabellen 57 die erforderlichen Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (FI) und Impulsbreiten (die 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-, Kraftstoff- und AGR-Dynamik, zu kompensieren, wie später näher besprochen wird.
  • 6 ist ein Arbeitsdiagramm einer Verweistabelle, bei der zwei Eingangsvariablen die Motordrehzahl 67 und die Last 68 sind und in der Steuerausgangsvariablen 69 sowohl für SI als auch für HCCI gespeichert sind. Diese Variablen umfassen den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, die Ansteuerung der Ventilbetätigung, den Zündzeitpunkt, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung. Der Übergang zwischen HCCI und SI beginnt beispielsweise bei etwa 460 kPa IMEP. Die Last, bei der der Übergang stattfindet, ändert sich mit der Motordrehzahl. Insbesondere beginnt der SI-HCCI-Übergang bei niedriger Last (oder niedrigem IMEP) mit höherer Motordrehzahl. Während des Betriebsartübergangs wird eine lineare Interpolation zwischen entsprechenden Steuerausgangsgrößen jeder Verbrennungsbetriebsart angewandt. Die in den Verweistabellen gespeicherten Werte werden unter stationären bzw. stabilen Motorbetriebszuständen erzeugt. Es ließ sich experimentell zeigen, dass die Motorbetriebszustände nach einem Übergang zu ihren stationären Werten konvergieren.
  • Der Rückkopplungsteil wird dazu verwendet, die Gesamt-Systemleistung zu verbessern. Obwohl alle Optimalwertsteuerungsausgangsgrößen einer Regelung unterworfen werden können, bevor sie in den Motorcontroller eingegeben werden, werden während eines Betriebsartübergangs lediglich NVO, die Drosselklappenstellung und die AGR-Ventilstellung aktiviert.
  • Es sei angemerkt, dass bei der vorgeschlagenen Anwendung anders als bei herkömmlicheren SI-Motoren die Kraftstoffzufuhrrate nicht notwendigerweise zu dem vom Fahrer angeforderten Drehmoment (oder zur Last, die auf der Eingangsgröße vom Pedal basiert) proportional ist. Wegen der komplexeren Natur vieler möglicher Verbrennungsbetriebsarten ist es nicht ungewöhnlich, dass ein SIDI/HCCI-Motor bei verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten bei einer geringfügig kleineren Kraftstoffzufuhrrate in Wirklichkeit ein größeres Drehmoment erzeugt. Es ist entscheidend, die richtige Einspritzstrategie und die Kraftstoffzufuhrrate für jede Verbrennungsbetriebsart in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment und dem Motorbetriebszustand zu bestimmen, wie später besprochen wird. Daher sind die in den Tests verwendeten verschiedenen Kraftstoffzufuhrraten, die im Folgenden berichtet werden, nur dazu gedacht, die Lastübergangssteuermethodik unter unterschiedlichen Motorlasten zu demonstrieren. Die genaue Abbildung des vom Fahrer angeforderten Motordrehmoments auf die erforderliche Kraftstoffzufuhrrate muss für die Betriebszustände jedes Motormodells entwickelt werden.
  • Die 7A, 7B, 7C und 7D zeigen repräsentative Hubprofile für das Auslassventil 17 und das Einlassventil 15, die für stationäre und transiente Motoroperationen unter HCCI-Betriebsart, HCCI-SI/NLTC-Übergang, SI/NTLC-Betriebsart bzw. SI/NTLC-SI-gedrosselt-Übergang verwendet werden. Die Last für einen Übergang von HCCI zu SI/NTLC wird zu etwa 410 kPa IMEP bei 1000 min–1 gewählt (wie in 4 zu sehen ist), um die Änderung der Ventilbetätigung zu zeigen. Aus den 7A-D wird deutlich, dass: 1) dann, wenn in der HCCI-Betriebsart (7A) NVO verkleinert wird (17A, 15C bis 17B, 15D), die Motorlast erhöht wird, 2) während des Übergangs von HCCI zu SI/NTLC (7B) das Auslassventilprofil von niedrigem Hub 17A auf hohen Hub 17B verändert wird, was sowohl den Hub als auch die Dauer vergrößert, während nur die Phasenlage oder die Ansteuerung des Einlassventils verändert (von 15C nach 15D vorverlegt) wird (es sei angemerkt, dass in der SI/NTLC-Betriebsart der Einlassventil-Schließzeitpunkt etwa 80 Grad vor UT liegt), 3) in der SI/NTLC-Betriebsart (7C) das Einlassventileinphasen allein für die Laststeuerung ausreichend ist (insbesondere wird das Einlassventilhubprofil (von 15C nach 15D) verzögert, um die Motorlast zu erhöhen) und 4) während des Übergangs von der SI/NTLC-Betriebsart zu der SI-gedrosselt-Betriebsart (7D) die Einlassventilansteuerung verzögert wird und das Ventilprofil von niedrigem Hub 15C zu hohem Hub 15D verändert wird, was sowohl den Hub als auch die Dauer vergrößert, während das Profil des Auslassventils 17 unverändert in dem Zustand hohen Hubs bleibt.
  • Es ist auch möglich, direkt von der HCCI-Betriebsart zu der SI-Betriebsart überzugehen und umgekehrt. Wie in 8A gezeigt ist, kann eine Laststeuerung in der HCCI-Betriebsart erreicht werden, indem NVO gesteuert wird (in derselben Weise wie in 7A). Insbesondere nimmt die Last zu, wenn NVO verkleinert wird.
  • 8B zeigt die Ventilprofile während des Übergangs zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI-Betriebsart. Um zu SI umzuschalten, werden sowohl die Einlass- als auch die Auslassventilprofile von einem niedrigen Hub 17A, 15C zu einem hohen Hub 17B, 15D verändert und die Einlassventilphasenlage nach vorn verlegt, was sowohl den Hub als auch die Dauer vergrößert und die Ventilansteuerung an die herkömmliche Ventilhuboperation für einen gedrosselten Funkenzündungsmotor angleicht. In der SI-gedrosselt-Betriebsart (8B) reicht die Drosselklappe allein für die Laststeuerung aus.
  • Es ist notwendig, während Übergängen zwischen der HCCI- und der SI-Verbrennungsbetriebsart ein erwünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, um Fehlzündungen und Teilverbrennungen zu vermeiden. Es folgt eine Beschreibung von drei Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerverfahren, die angewandt werden können.
  • Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wird anhand von Testergebnissen mit einem HCCI-SI-Übergang bei 1000 min–1 und 460 kPa IMEP demonstriert. 9 fasst die stationären Betriebsbedingungen für die zwei Verbrennungsbetriebsarten vor und nach dem Übergang zusammen. Als Optimalwertsteuerungsausgangsgrößen während des Übergangs wird eine lineare Interpolation zwischen Endpunktwerten verwendet. Es wird angemerkt, dass der Wert von NVO (der IVO-EVC gleichkommt) bei SI-Betrieb negativ ist, was eine herkömmliche Ventilüberlappung zwischen den Auslass- und Einlassventilen angibt, wie 5 zeigt.
  • Insgesamt wurden 6 Tests durchgeführt, wie in 10 gezeigt ist. Die Fälle 1-3 unterscheiden sich durch die Änderungsraten der NVO- und AGR-Ventilpositionen, die bei einem Verbrennungsbetriebsartübergang von SI zu HCCI von 8 bis 16 Zyklen (1 bis 2 Sekunden) gehen. Ähnliche Tests wurden in den Fällen 4-6 mit einem Betriebsartübergang von HCCI zu SI durchgeführt. Bei allen Fällen wurde eine stufenartige Änderung der Drosselklappenänderungsrate verwendet. Nichtsdestoweniger haben Tests mit anderen Drosselklappenänderungsraten ähnliche Ergebnisse gezeigt.
  • In den 9 bis 25 kennzeichnen die Bezugszeichen 71 bis 73 die Fälle 1 bis 3, die Übergange von einer Funkenzündungsverbrennung zu einer ge steuerten Verbrennung (SI-HCCI) betreffen. Die Bezugszeichen 74 bis 76 kennzeichnen die Fälle 4-6, nämlich HCCI-SI-Übergänge. In 9 werden die folgenden Bezeichnungen für Befehls- bzw. Steuereingangsgrößen und andere gemessene Werte verwendet: A – Kraftstoffrate, A1 – erste Einspritzung, A2 – zweite Einspritzung, B – Motordrehzahl, C1 – Ende der ersten Einspritzung, C2 – Ende der zweiten Einspritzung, D – SI (Zündzeitpunkt), E – NVO, F – IMEP, G – L/K, H – AGR-Ventilstellung, I – Drosselklappenstellung, J – Einlass-O2-Prozent, K – Abgastemperatur, L – LPP (location of peak pressure, Ort des Spitzendrucks) und M – max. Rate des Druckanstiegs.
  • Die 11-13 zeigen zusammengesetzte Aufzeichnungen aller Testergebnisse für die Fälle 1-3 des Übergangs von SI zu HCCI. Die aufgezeichneten Werte umfassen A – Kraftstoffrate, E – NVO, I – Drosselklappenstellung, H – AGR-Ventilstellung, L – LPP, M – max. Rate des Druckanstiegs, G – L/K, J – Einlass-O2-Prozent und F – IMEP. Im Folgenden werden beispielhafte Ergebnisse dieser Fälle präsentiert.
  • In den 14A bzw. 14B werden zuerst Öffnungs- und Schließzeitpunkte von Auslass- und Einlassventilen mit unterschiedlichen Änderungsraten von 8 bis 16 Zyklen (etwa 1 bis 2 Sekunden) während des Übergangs präsentiert. In 15A ist die während des Übergangs verwendete NVO gezeigt. Dies wird durch das bei diesen Tests der Erfindung verwendete voll flexible Ventilbetätigungssystem ermöglicht. Es ist ohne weiteres möglich, verschiedene Ventilprofiländerungsraten zu programmieren und zu steuern. Diese Fähigkeit ist bei einem einfachen zweistufigen VVA-System nicht möglich, da das Ventilhubprofil nur in einem einzigen Zyklus geändert werden kann.
  • In 15B ist das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis gezeigt. Aus der Figur geht hervor, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine Magerauslenkung durchlief. Die Auslenkungsdauer verringert sich mit zunehmenden NVO- und AGR-Ventiländerungsraten. Die maximale Abweichung von Stöchiometrie blieb jedoch bei etwa 5 Luft-Kraftstoff-Verhältnissen unverändert.
  • Magerauslenkungen infolge eines Verbrennungsbetriebsartübergangs sind in GP 306189 während eines Lastübergangs mit Verzögerungs-Kraftstoffabschaltung (deceleration fuel cut-off, DFCO) beobachtet worden. Dies war besonders augenscheinlich während eines Warm-Neustarts, weil es Zeit brauchte, bis der Restgasanteil in dem Zylinder von null auf seinen stationären bzw. stabilen Wert anstieg. Null Zylinderrestgas vor einem Warm-Neustart ist das Ergebnis eines Motorlaufens während der Kraftstoffabschaltperiode. Aus der Wärmefreisetzungsanalyse gemessener Druckdaten geht hervor, dass die ersten 3-4 Zyklen nach einem Warm-Neustart einer SI-Verbrennung entsprechen, die eventuell in entweder eine reine oder eine funkenunterstützte gesteuerte Selbstzündungsverbrennung übergeht.
  • Diese Magerauslenkungen führten zu einer zu starken LPP-Voreilung, wie in 16A gezeigt ist, und folglich zur maximalen Rate des Druckanstiegs, wie in 16B gezeigt ist. Insbesondere ist die maximale Rate des Druckanstiegs entweder gleich 800 kPa/Grad, einer selbst auferlegten Grenze für das Klopfen, oder liegt etwa darüber. Ferner zeigen sowohl LPP als auch die maximale Rate des Druckanstiegs eine viel längere Erholungszeit (etwa 100 Zyklen) als die wirkliche VVA-Übergangszeit (8 bis 16 Zyklen). Dies ist für einen Motorbetrieb in der Nähe der Hochlast-Betriebsgrenze wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber thermischen Motorrandbedingungen typisch. Die Erholungszeit sowohl des gemessenen IMEP (17) als auch der berechneten Orte von 10 und 50 Prozent verbrannten Kraftstoffs (18A und 18B) zeigen ähnliche Charakteristiken.
  • 19 zeigt die berechnete Energiefreisetzungsrate in Zyklen nach dem Beginn des Übergangs. Aus der Figur geht hervor, dass die Zyklen 1-3 eine Spitzenenergiefreisetzung- und eine Verbrennungsdauer besitzen, die für jene, die bei der SI-Verbrennung festgestellt werden, typisch sind. Jenseits des Zyklus 8 zeigt die Energiefreisetzungscharakteristik jene einer HCCI-Verbrennung mit einer sehr hohen Spitzenrate und einer sehr kurzen Verbrennungsdauer. Die Verbrennungsphasenlage eilt stark vor, wie zuvor in 16A gezeigt worden ist. Zwischen den Zyklen 4 und 7 jedoch ist eine SI-Verbrennung mit und ohne Selbstzündung oder Klopfen augenscheinlich. Die Komplexität des Verbrennungsbetriebsartübergangs ist deutlich aufgezeigt.
  • Die 20-22 zeigen zusammengesetzte Aufzeichnungen aller Testergebnisse für die Fälle 4-6 des Übergangs von HCCI zu SI. Die aufgezeichneten Werte umfassen A – Kraftstoffrate, E – NVO, I – Drosselklappenstellung, H – AGR-Ventilstellung, L – LPP, M – max. Rate des Druckanstiegs, G – L/K, J – Einlass-O2-Prozent und F – IMEP. Im Folgenden werden beispielhafte Ergebnisse dieser Fälle präsentiert
  • Zuerst werden in den 23A bzw. 23B sowohl Öffnungs- als auch Schließzeitpunkte von Auslass- und Einlassventilen mit unterschiedlichen Änderungsraten von 8 bis 16 Zyklen (etwa 1 bis 2 Sekunden) während des Übergangs präsentiert. In 24A ist die während des Übergangs verwendete NVO gezeigt. Dies wird durch das bei diesen Tests der Erfindung verwendete voll flexible Ventilbetätigungssystem ermöglicht. Es ist ohne weiteres möglich, verschiedene Ventilprofiländerungsraten zu programmieren und zu steuern. Diese Fähigkeit ist bei einem einfachen zweistufi gen VVA-System nicht möglich, da das Ventilhubprofil nur in einem einzigen Zyklus geändert werden kann.
  • In 24B ist das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis gezeigt. Aus der Figur geht hervor, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine Magerauslenkung durchlief. Die Dauer der Magerauslenkung verringert sich mit zunehmenden NVO- und AGR-Ventiländerungsraten. Die Form der Auslenkung weist einen doppelten Buckel auf. Die maximale Abweichung von Stöchiometrie kann zwischen 5-10 Luft-Kraftstoff-Verhältnissen variieren und tritt während des ersten Buckels auf. Die größere Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Auslenkung bei einem Übergang von HCCI zu SI (24B) im Vergleich zu dem Übergang von SI zu HCCI (15B) wird durch die Fehlzündung und die Teilverbrennungen während des Betriebsartübergangs verursacht, wie in 25 deutlich erkennbar ist. Die besten Ergebnisse wurden mit der schnellsten NVO- und AGR-Änderungsrate (Fall 4, 8-Zyklen-Übergang) erzielt.
  • Die Zylindergastemperatur während des Expansions- oder Ansaugtaktes ist bei einer HCCI-Verbrennung viel niedriger als bei einer SI-Verbrennung bei gleicher Motorlast. Dies wird hauptsächlich durch die höhere AGR-Verdünnung (sowohl intern als auch extern) bei der HCCI-Verbrennung verursacht. Das Ergebnis ist eine niedrigere Verbrennungskammer-Oberflächentemperatur und eine niedrigere Abgastemperatur. Während des Betriebsartübergangs von SI zu HCCI begünstigen sowohl eine höhere Temperatur des eingeschlossenen Abgases als auch eine höhere Verbrennungskammer-Oberflächentemperatur die HCCI-Verbrennung, falls stationäre Verweistabellenwerte als Steuereingangsgrößen verwendet werden. Somit ist der Übergang auch bei Vorhandensein von Magerauslenkungen stets stabil. Weniger günstige thermische Bedingungen in Verbindung mit Magerauslenkungen führen zu einer Verschlechterung der Verbrennungs robustheit während eines Betriebsartübergangs von HCCI zu SI. Solches kann die weniger robuste Natur von Übergängen von HCCI zu SI im Vergleich zu Übergängen von SI zu HCCI erklären. Die Grenze für mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei SI-Verbrennung beträgt etwa 25:1 bei dem verwendeten Motor.
  • Ein erstens Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor mit Benzin-Direkteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung bei konstanter Kraftstoffzufuhrrate verwendet ein Drosselventil in einem Zweig der Saugrohre für einen Motor mit zwei Einlassventilen pro Zylinder. Zu einem solchen Zweck können (bis zu einem gewissen Maße) ebenso sowohl die Drosselklappe als auch das AGR-Ventil, die für die Optimalwertsteuerung verwendet werden, verwendet werden. Es wurde experimentell festgestellt, dass eine Veränderung der Drosselventileinstellung eine starke Auswirkung auf die in den Zylinder eingeleitete Menge an frischer Ladung und folglich auf das zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat. Die Wirksamkeit des Drosselventils auf die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung unterscheidet sich in Abhängigkeit von der Ventilstrategie und der Motordrehzahl. Insbesondere führt das Schliefen des Drosselventils zu einem niedrigeren zugeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wobei die Reduktionsrate mit zunehmender Motordrehzahl zunimmt. Ein zweites Verfahren wendet eine variable Ventilhubsteuerung an. Die Wirksamkeit des Ventilhubs für die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung variiert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der für die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung angewandete Ventilstrategie. Allgemein nimmt das zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit abnehmendem Ventilhub ab. Die Wirksamkeit der Ventilhubsteuerung auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt mit zunehmender Motordrehzahl zu. Insbesondere bei der Ventilstrategie mit Abgasrekompression nimmt das zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit abnehmendem Auslassventilhub als einzige Änderung ab.
  • Der Einlassventilhub besitzt keine spürbare Auswirkung auf das zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Ein drittes Verfahren ist dazu gedacht, in Verbindung mit einem mechanischen, zweistufigen System mit Nockenwellenverstellung verwendet zu werden. Da der zweistufige Mechanismus das Ändern des Auslasshubprofils innerhalb eines Zyklus während des Übergangs beinhaltet, kann die Magerauslenkung von HCCI zu SI noch größer als jene werden, die in den Fällen 4-6 (24B) mit der begrenzten, erweiterten VVA-Änderungsrate beobachtet wird. Die Regelung, die das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet, um die Drosselklappenstellung dynamisch einzustellen, kann ein wirksames Verfahren sein. Die Einlassnockenwellenverstellvorrichtung ist ein weiterer Kandidat, der entweder allein oder in Verbindung mit der Drosselklappe für eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung verwendet werden kann. Das AGR-Ventil kann bis zu einem gewissen Maße ebenfalls für die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung verwendet werden. Jedoch kann es nachteilige Auswirkungen auf die Verbrennungsstabilität mit sich bringen, falls der Einlass zu verdünnt ist.
  • Zusammengefasst verbessert die vorliegende Erfindung den Übergang zwischen einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung und einer Flammenausbreitungsverbrennung bei Benzin-Direkteinspritzmotoren. Verfahren zum weiteren Verbessern der Verbrennungsrobustheit während Verbrennungsbetriebsartübergängen werden ebenfalls vorgeschlagen.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Steuern des Übergangs zwischen Verbrennungsbetriebsarten eines Direkteinspritzmotors, der bei niedrigeren Lasten in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) und bei höheren Lasten in einer Betriebsart der Funkenzündungs-Flammenausbreitung (SI) betreibbar ist. Der Motor umfasst ein System mit variabler Ventilbetätigung einschließlich einer zweistufigen Ventilbetätigung mit hohem und mit niedrigem Hub und einer separaten Nockenwellenverstellung sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile. Das Verfahren umfasst das Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand mit Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen bei vorgegebenen Bedingungen für jede Drehzahl und Last und das Steuern des Motors während Betriebsartwechseln zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI-Betriebsart durch Umschalten der Auslass- und Einlassventile zwischen einem niedrigen Hub für den HCCI-Betrieb und einem hohen Hub für den SI-Betrieb. Hochlast kann eine SI-Betriebsart, gedrosselt, mit einer Zwischenbetriebsart, ungedrosselt, (SI/NTLC) sein, bei der der Übergang zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI/NTLC-Betriebsart lediglich das Umschalten des Auslassventilhubs erfordert und der Übergang zwischen der SI/NTLC-Betriebsart und der SI-Betriebsart, gedrosselt, lediglich das Umschalten des Einlassventilhubs erfordert, bei vorgegeben Phaseneinstellungen hinsichtlich der Ventilzeitpunkteinphasung.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern des Übergangs zwischen Verbrennungsbetriebsarten eines Direkteinspritzmotors, der bei niedrigeren Lasten in einer Betriebsart der Kompressionszündung mit homogener Ladung (homogeneous charge compression ignition, HCCI) und bei höheren Lasten in einer Betriebsart der Funkenzündungs-Flammenausbreitung (SI) betreibbar ist, wobei der Motor ein System mit variabler Ventilbetätigung einschließlich einer zweistufigen Ventilbetätigung mit hohem und mit niedrigem Hub und einer separaten Nockenwellenverstellung sowohl für Einlass- als auch für Auslassventile umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Motors in einem stabilen Zustand mit Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen bei für jede Drehzahl und Last vorgegebenen Zuständen des Kraftstoffzufuhr-Massendurchflusses (der Kraftstoffzufuhrrate), des Einspritzzeitpunktes (FI), der 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 Steuern des Motors während Betriebsartwechseln zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI-Betriebsart durch Umschalten der Auslass- und Einlassventile zwischen einem niedrigen Hub für den HCCI-Betrieb und einem hohen Hub für den SI-Betrieb.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die SI-Betriebsart eine SI-gedrosselt-Betriebsart ist, bei der mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gearbeitet wird, und der Motor ferner bei Las ten zwischen der SI-gedrosselt-Betriebsart und der HCCI-Betriebsart in einer SI-ungedrosselt-Laststeuerungs-(SI/NTLC)-Betriebsart betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des Motors während Betriebsartwechseln zwischen der HCCI-Betriebsart und der SI/NTLC-Betriebsart durch Umschalten lediglich des Auslassventils zwischen einem niedrigen Hub für die HCCI-Betriebsart und einem hohen Hub für die SI-Betriebsart; und/oder Steuern des Motors während Betriebsartwechseln zwischen der SI/NTLC-Betriebsart und der SI-gedrosselt-Betriebsart durch Umschalten lediglich des Einlassventils zwischen einem niedrigen Hub für die SI/NTLC-Betriebsart und einem hohen Hub für die SI-gedrosselt-Betriebart.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das das Einstellen der Drosselklappe und/oder des AGR-Ventils und/oder der Phasenlage der Motor-Ventilsteuerung umfasst, um nach jedem Betriebsartwechsel die vorgegebenen Zustände, die für einen stabilen Betrieb des Motors festgelegt sind, zu erreichen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, das das Einstellen der Drosselklappe und/oder des AGR-Ventils und/oder der Phasenlage der Motor-Ventilsteuerung umfasst, um nach jedem Betriebsartwechsel die vorgegebenen Zustande, die für einen stabilen Betrieb des Motors festgelegt sind, zu erreichen.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, das das Einstellen der Änderungsrate der variablen Ventilbetätigung (variable valve actuation, VVA) und/oder der Drosselklappe und/oder des AGR-Ventils umfasst, um die Einlass-O2-Konzentration und das Abluft-Kraftstoff-Verhältnis in der Weise zu steuern, dass Spitzenzylinderdrücke begrenzt und Fehlzündungen während jedes Betriebsartübergangs minimiert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, das das Einstellen der Änderungsrate der variablen Ventilbetätigung (variable valve actuation, VVA) und/oder der Drosselklappe und/oder des AGR-Ventils umfasst, um die Einlass-O2-Konzentration und das Abluft-Kraftstoff-Verhältnis in der Weise zu steuern, dass Spitzenzylinderdrücke begrenzt und Fehlzündungen während jedes Betriebsartübergangs minimiert werden.
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