DE10131937A1 - Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeugemissionen - Google Patents
Einrichtung und Verfahren zur Reduktion von KraftfahrzeugemissionenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System 10 zur Reduktion von Kaltstart-Emissionen von Kraftfahrzeugen 12 mit Verbrennungsmotor 26. Das System 10 umnfaßt eine Steuerung 14, ein variables Ventilzeitgebersystem 16, ein Zündsystem 18, eine Treibstoffzumeßeinrichtung 20 und Kraftfahrzeug-Betriebszustands-Sensoren 22. Die Steuerung 14 detektiert Kaltstart-Bedingungen auf Basis von den Sensoren 22 empfangener Signale und generiert dementsprechend Befehlssignale für das variable Ventilzeitgebersystem 16, die bewirken, daß entsprechend die Ventilzeitgebung, Zündzeiteinstellung und die Luft/Treibstoffzufuhr zum Motor 26 so geändert werden, daß synergistisch die mageren Luft/Treibstoffgrenzen erweitert werden, die Verbrennungscharakteristika verbessert und die Abgastemperatur erhöht wird, wodurch Kaltstart-Emissionen reduziert werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reduktion von Kaltstart-Emissionen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung und ein
Verfahren zur Reduktion von Kraftfahrzeugemissionen, die synergistisch variables
Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunktsabstimmung und Strategien zum Einstellen
magerer Luft-/Brennstoffverhältnisse verwenden, um schnelles Anspringen des Ka
talysators zu erzielen, wodurch die Emissionen bei Kaltstartbedingungen reduziert
werden.
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwenden typischerweise einen Drei-
Wege-Katalysator ("TWC"), um Auspuffemissionen zu reduzieren. Insbesondere
reduziert der TWC katalytisch Stickstoffoxide (NOx) und oxidiert Kohlenstoffmonoxid
("CO") und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ("HC"), die bei der Verbrennung ent
stehen. Der TWC besitzt eine sehr hohe Umwandlungseffizienz, sobald der Kataly
sator,,aufgewärmt" ist und das Luft/Treibstoffverhältnis der Mischung nahe dem
stoichiometrischen Verhältnis liegt.
Der Zeitpunkt, zu dem der katalytische Konverter eine 50%ige (50%) Effizienz er
reicht, wird üblicherweise als sein "Zündpunkt" bezeichnet. Aufgrund der relativ ge
ringen Effizienz des katalytischen Konverters vor dem "Anspringen" sind nun die
Anstrengungen darauf gerichtet worden, die Auspuffemissionen zu reduzieren, in
dem die Anspringzeit reduziert wird, wodurch die Zeit reduziert wird, während der
der katalytische Konverter am wenigsten wirksam ist. Diese früheren Anstrengun
gen umfassen auch gleichzeitiges Ändern des Luftllreibstoffverhältnisses und/oder
Verzögerung der Zündeinstellung des Motors. Diese Anstrengungen werden allge
mein als "koordinierte Strategien zum Starten mit reduzierter Emission" oder
"CSSRE" bezeichnet und sind bspw. - allerdings nicht nur - in den US-Patenten
5,483,946 und 5,584,176 beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit zur Vermei
dung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird.
Die bekannten früheren Anstrengungen haben einige Nachteile.
Insbesondere begrenzen Schwierigkeiten, die Verbrennungsqualität und Stabilität
des Motors, die Geräusche und Vibrationsrauhigkeiten sowie den "Fahrkomfort,
während das Fahrzeug sich aufwärmt, zu steuern, die Anwendung dieser bekann
ten Strategien.
Es besteht demzufolge ein Bedürfnis nach einer Einrichtung und Verfahren zur Re
duktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen, die die Nachteile der Verfahren,
Strategien und Einrichtungen des Standes der Technik zur Reduktion von Emissio
nen vermeiden.
Es ist eine erstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion
von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die zumindest einige der oben
aufgeführten Nachteile bekannter Emissions-Reduktionsverfahren und Strategien
vermeiden. Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur
Reduktion von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, welche synergistisch
variable Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunktsabstimmung und magere Luft/Kraft
stoffverhältnisse einsetzen, um ein schnelles Anspringen des Katalysators zu erzie
len, wodurch die Emissionen während der Kaltstartbedingungen verringert werden.
Es ist ein drittes Ziel der Erfindung, ein Verfahren und Einrichtung zur Reduktion
von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die indirekte und/oder direkte
Rückkopplung einsetzen, um die Anpassung der Zündzeitpunktsabstimmung, des
mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses und der Ventilzeitabstimmungsereignisse ein
setzt, um optimale Emissionsreduktion und Kraftfahrzeug Fahrkomfort zu schaffen.
Es ist ein viertes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion
von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, welches variable Ventilzeitgebe
rereignisse verwenden, um die Betriebsbereiche der CSSRE-Zündzeitpunktsab
stimmung und magere Luft/Brennstoffverhältnisse ohne Verschlechterung der Ver
brennungsqualität und der Kraftfahrzeugfahrverhältnisse (bspw. NVH-Werte) zu
erreichen.
Es ist ein fünftes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion
von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, das Ventil-Betätigungseinrich
tungen ohne Nockenwellen einsetzen, um die Kraftstoffvorbereitung während der
Kaltstart-Betriebsbedingungen zu unterstützen.
Es ist ein sechstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung und Verfahren zur Reduktion
von Kraftfahrzeug-Kaltstartemissionen zu schaffen, die mehrere Ventilereignisse
während eines einzelnen Ansaughubs verwenden, um den Ventilen zugeführte
Treibstoffmenge zu reduzieren, wodurch die Verdampfung des Treibstoffes erhöht
und die Verbrennung verbessert wird. Ferner kann auch Mehrfachöffnen des An
saugventiles die Verbrennung durch eine bessere Luft/Treibstoffmischungs-Vor
bereitung durch Erhöhen der Treibstoffscherkräfte und Turbulenz im Zylinder ver
bessern.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von
Emissionen von Kraftfahrzeugen mit Motoren geschaffen. Das Verfahren umfaßt die
Schritte der Detektion einer Kaltstartbedingung; selektives und synergistisches Än
dern der Ventilzeitabstimmung, Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffabgabe
an den Motor, um magere Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungs
charakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch die
Kaltstartemissionen reduziert werden.
Mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Emis
sionen eines Kraftfahrzeuges mit Motor mit einer Brennkammer, mindestens einem
Ventil und einem Treibstoffeinspritzer geschaffen, welcher eine Treibstoffmenge ab
gibt, die in die Brennkammer durch mindestens ein Ventil eingelassen wird. Das
Verfahren umfaßt den Schritt des mehrfachen selektiven Öffnens und Schließens
des mindestens einen Ventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die
Verdampfung der Treibstoffmenge erhöht die Verbrennungseffizienz und Abgas
temperatur erhöht und Emissionen reduziert wird. Ferner können mehrere Öffnun
gen des Ansaugventils die Verbrennung durch bessere Luft/Treibstoffmischungs
herstellung verbessern, indem die auf den Treibstoff wirkenden Scherkräfte und die
Turbulenz desselben im Zylinder verstärkt werden.
Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich für
den Fachmann aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug
nahme auf die begleitende Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Fahrzeuges mit einer Emissions-Reduktions-Ein
richtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2a und 2b Blockdiagramme, die ein Verfahren, das durch die Einrichtung der
Fig. 1 eingesetzt wird, um Kaltstart-Abgasemissionen zu verringern, und gemäß der
Lehre einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird, illu
striert;
Fig. 3 einen Graph der Verdampfungscharakteristika zweier verschiedener Treib
stofftypen gegenüber der Motortemperatur; und
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das durch die Einrichtung der Fig. 1
eingesetzt wird, um die Kaltstart-Abgasemissionen zu reduzieren und gemäß der
Lehre einer dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung 10 zur Reduktion von Kaltstartemissionen eines Kraft
fahrzeuges 12 mit einem Verbrennungsmotor 26 gezeigt, welches gemäß der Lehre
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Einrichtung 10 umfaßt
eine Hauptsteuerung oder Steuerung 14, ein variables Ventilzeitgebersystem 16,
ein Zündsystem 18, eine Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und Sensoren 22. Das
variable Ventilzeitgebersystem 16, Zündsystem 18 und Treibstoff-Zumeß-Einrich
tung 20 sind kommunikativ mit dem Motor 26 verbunden und steuern dessen Be
trieb (bspw. die Ventilzeitgebereinstellungen, Zündpunkteinstellungen und
Luft/Treibstoffansaugmengen des Motors 26).
Die Steuerung 14 ist elektrisch und kommunikativ mit dem variablen Ventilzeitge
bersystem 16, dem Zündsystem 18, der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 und den
Sensoren 22 gekoppelt.
Die Steuerung 14 empfängt von den Sensoren 22 und der Rückkopplung von den
Systemen 16 bis 20 Signale und verarbeitet und verwendet die Signale und die
Rückkopplung, um die CSSRE-Zündzeitpunkteinstellung, die mageren Luft/Treib
stoffverhältnisse und Ventilzeitgeberzeitpunkte anzupassen, um optimale Emissi
onsreduktion und Kraftfahrzeugfahrverhalten zu erzielen, wie im weiteren nachfol
gend beschrieben werden wird.
Der Motor 26 ist ein konventioneller Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zy
linder (auch bspw. 4, 6, 8 oder mehr Zylinder). Der Motor 26 ist betrieblich mit dem
Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges und einem konventionellen Abgassystem 28 mit
einem konventionellen katalytischen Konverter (nicht gezeigt) verbunden. Das Ab
gassystem 28 überträgt und/oder leitet die Verbrennungsabgase des Motors 26
durch den katalytischen Konverter, der die Abgase behandelt und unerwünschte
Emissionen entfernt, bevor die Gase in die Atmosphäre abgelassen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Steuerung 14 mehrere Mikro
prozessoren oder Mikrosteuerungen als auch andere Chips und integrierte Schalt
kreise, die zusammen den Betrieb der Einrichtung 10 steuern. Die Steuerung 14
kann ein oder mehrere, kommerziell erhältliche, konventionelle und übliche Chips
oder Vorrichtungen umfassen, die betrieblich und kommunikativ zusammenwirkend
verbunden sind. Die Steuerung 14 umfaßt permanente und vorübergehende Spei
chereinheiten, die so eingerichtet sind, daß sie mindestens einen Teil der Betriebs
software speichern, die den Betrieb der Steuerung 14 leitet. Insbesondere umfaßt
die Steuerung 14 konventionelle Software, Hardware und/oder Firmware um das
variable Ventilzeitgebersystem 16, das Zündungs- oder Zündsystem 18 und die
Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20 zu steuern und/oder mit Befehlen zu versehen.
Das variable Ventilzeitgebersystem 16 ist ein konventionelles variables Ventilzeit
gebersystem, das eine Steuerung und ein oder mehrere Nockenzeitgeberanord
nungen umfassen kann, die auf den Nockenwellen des Motors befestigt sind und
selektiv die Drehung der Nockenwellen relativ zu einander und zur Kurbelwelle in
Phasen versetzt halten, wodurch die Betätigung der Ansaug- und Ablaßventile ge
steuert wird. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform besitzt der Motor 26
keine Nockenwelle, wobei das variable Ventilzeitgebersystem 16 ohne Nockenwelle
mit mehreren steuerbaren elektromagnetischen, elektromechanischen und/oder
elektrohydraulischen Betätigungseinrichtungen, die unabhängig das Öffnen und
Schließen der Ansaug- und Ablaßventile des Motors betreiben, ausgerüstet ist.
Das Zündsystem 18 ist ein konventionelles System, das die Zündpunktseinstellung
in den Zylindern des Motors selektiv steuern kann. Die Treibstoff-Zumeß-Einrich
tung 20 ist eine konventionelle Treibstoff-Zumeß-Einrichtung, die selektiv das
Luft/Treibstoffverhältnis, das den verschiedenen Zylindern des Motors geliefert wird,
steuern kann.
Die Sensoren 22 umfassen mehrere konventionelle und kommerziell erhältliche
Sensoren, die Informationen über dem Motor 26 und das Fahrzeug 12 (bspw. Fahr
zeugsbetriebszustandsdaten) messen und/oder sammeln. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung umfassen die Sensoren 22 ein oder mehrere kon
ventionelle Fahrzeug- und/oder Motorsensoren, die eingerichtet sind, die Geschwin
digkeit und/oder Last des Motors, die Temperatur des Motors 26, die Motordrossel
ventilposition, die Motorkühlmitteltemperatur, die Katalysatortemperatur, oder Be
triebseffizienz und andere Motorbetriebsbedingungen abschätzen und/oder bestim
men können. Die Sensoren 22 generieren ein oder mehr Signale für die Steuerung
14 auf Grundlage dieser gemessenen und/oder abgeschätzten Werte. Insbesondere
liefern die Sensoren 22 Fahrzeugbetriebsdaten zum SteuerSystem 14, das diese
Daten verwendet, um die geeignete Abgasverminderungsstrategie zu bestimmen.
In Betrieb koordiniert die erfindungsgemäße Einrichtung variable Ventileinstellereig
nisse ("VVT") mit CSSRE-Zünd- und mageren Luft/Treibstoffverhältnis-Strategien,
um schnelles Zünden des Katalysators bei reduzierten Auspuff-Emissionen wäh
rend des Kraftfahrzeug-Kaltstarts zu erzielen. In den Fig. 2a und 2b ist eine nicht
einschränkende Ausführungsform eines Verfahrens 40 gezeigt, das durch die Ein
richtung 10 durchgeführt wird, um die Emissionen des Fahrzeuges 12 zu reduzie
ren. Das Verfahren 40 beginnt mit Schritt 42, wo die Steuerung 14 Daten und/oder
Signale von den Fahrzeugsensoren 22 empfängt. Auf Grundlage dieser empfange
nen Daten bestimmt die Steuerung 14, ob "Kaltstart"-Bedingungen vorliegen, wie in
Schritt 44 gezeigt. Die Bestimmung einer "Kaltstart"-Bedingung gründet auf ein oder
mehrere gemessene Motorbetriebsbedingungen, wie der Temperatur, Last und/oder
Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition, der Motorkühlmit
teltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz, die mit ein oder
mehreren eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 gespeichert sind, vergli
chen werden.
Falls keine Kaltstart-Bedingung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 mit den
Schritten 46 und 48 fort, bei denen die Steuerung 14 die Zündzeitpunkte und das
Luft/Treibstoffverhältnis unter Verwendung konventioneller, nicht-CSSRE-Strategien
einstellt (bspw. übermittelt die Steuerung 14 Befehlssignale an das Zündsystem 18
und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung 20, die die Systeme 18, 20 dazu veranlassen,
konventionelle nicht-CSSRE-Strategien durchzuführen). Falls eine Kaltstart-Bedin
gung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 mit den Schritten 50 und 52 fort, wo die
Steuerung 14 jeweils den Zündzeitpunkt und das Luft/Treibstoffverhältnis unter
Verwendung konventioneller CSSRE-Strategien setzt (bspw. übermittelt die Steue
rung 14 Befehlssignale zum Zündsystem 18 und dem Treibstoff-Zumeß-Einrichtung
20, die die Systeme 18, 20 dazu veranlassen, konventionelle CSSRE-Strategien
durchzuführen).
Die Steuerung 14 fährt dann in den Blöcken 54, 56 fort, wo sie Tests durchführt um
festzstellen, ob oder nicht eine variable Ventilzeitpunktseinstellstrategie ("VVT")
während der CSSRE-Betriebsweise durchgeführt werden sollte. Parameter, die un
tersucht werden, können, sind - aber nicht begrenzt auf - des Fahrers Anforderung
an Drehmoment oder Motordrosselventilposition, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motor
kühlmitteltemperatur und Katalysatoreffizienz oder Katalysatorbetriebstemperatur.
Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform müssen die Drosselposition des
Kraftfahrzeuges, Geschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur und Katalysatortemperatur
alle vorbestimmbare, eichbaren Schwellenwerte überschreiten, bevor die Steuerung
14 die VVT-Strategie einsetzt. In anderen, nicht einschränkenden Ausführungsfor
men, können die Eingangsbedingungen auf Motorgeschwindigkeit, Motorlast, baro
metrischen Druck, NVH-Rückkopplung, Emissions-Rückkopplung und/oder Zeit ent
sprechend dem Ausgang der Kurbelwelle basiert werden.
Wenn die Konditionen in Schritt 54 nicht angetroffen werden, verläßt die Steuerung
14 das Verfahren 40 und verwendet nur "nicht-VVT"-Strategien (d. h. nur Zündzeit
punkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis-Strategien). Andernfalls wird die VVT-
Strategie eingesetzt und Ventilzeitgeberereignisse gesetzt, wie in den Schritten 58
und 60 gezeigt. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung
werden die Ansaugventilöffnungs- ("IVO") und die Schließereignisse ("IVC") sowie
die Abgasventilöffnungs- ("EVO") und Schließereignisse ("IVC") unabhängig einge
stellt. Bei anderen Ausführungsformen kann nur eines oder mehrere dieser Ereig
nisse unabhängig voneinander eingestellt oder gesetzt werden. Beispielsweise, und
ohne darauf begrenzt zu sein, werden bei einer nicht einschränkenden Ausfüh
rungsform nur die EVO-Ereignisse eingestellt. Bei einer nicht begrenzenden Aus
führungsform werden EVC- und IVO-Ereignisse gesetzt oder eingestellt, um die
Steuerventil-"Überlappung" zu steuern und in einer weiteren Ausführungsform wer
den nur die IVC-Ereignisse eingestellt oder gesetzt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die vorgenannten Ven
tilzeitgeberereignisse unabhängig als Funktion der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit,
Motorkühlmitteltemperatur, Drosselventilposition, Katalysatoreffizienz, Katalysator
betriebstemperatur, des barometrischen Drucks, Motorlast, Verbrennungsqualität
(NVH-Rückkopplung, und/oder anderen Motor- und/oder Fahrzeugsteuersystem-
Parametern eingestellt worden.
Beispielsweise wird während der "CSSRE" bei Leerlauf- und Geringbelastungsbe
dingungen - das EVO-Selektiv ohne Beschränkung erhöht (nämlich früheres Öff
nen), wodurch heißere Verbrennungsgase durch die Abgasöffnung abgelassen
werden, wodurch das Katalysator-Aufwärmen erleichtert wird. Das EVC und IVO
kann auch so eingestellt werden, daß die Ventil-Überlappungsperiode eliminiert
wird. So können verzögerte oder verspätete CSSRE-Zündzeitpunkte eingestellt
werden, ohne die Verbrennungsqualität zu beeinträchtigen. Diese verzögerten oder
verspäteten Zeitpunkte produzieren höhere Abgastemperaturen, wodurch das Ka
talysatoraufwärmen weiter erleichtert wird.
Die Steuerung 14 schreitet dann in den Schritten 62 und 64 fort, wobei CSSRE-
Zündzeitpunkteinstellung und Luftllreibstoffverhältnis Korrekturterme berechnet
werden, abhängig vom Ventilzeitgebungsereignis. Insbesondere ändert die Steue
rung 14 die Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis so, daß diese
synergistisch mit der geänderten Ventilzeitpunkteinstellung kooperieren, um die er
wünschten Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität und reduzierten Emissio
nen zu erhalten. Getrennte CSSRE Zündzeitpunktberechnungen können für EVO-
Ereignisse, Ventilüberlappung und IVC-Ereignisse durchgeführt werden. Beispeils
weise kann ohne Einschränkung für den EVO-Fall ein Korrekturfaktor mit zusätzli
chem Zündpunktverzögerung berechnet werden. Diese zusätzliche Zündzeitpunkt
verzögerung erhöht die Wärmeabgabe an das Abgas, wodurch weiter die Kataly
satoraufheizung erleichtert wird.
In den Schritten 66, 68 bestimmt die Steuerung 14, ob die berechnete CSSRE-
Zündzeitpunkteinstellung und Luft/Treibstoffverhältnis-Korrekturterme und die VVT-
Ereignisse adaptiv aktualisiert werden sollten (bspw. liegen bestimmte, vorbestimm
te eichbare Bedingungen vor, die eine Aktualisierung begründen oder notwendig
machen). Insbesondere überwacht die Steuerung 14 die Rückkopplung von den
Systemen 16-20 und Daten von den Sensoren 22, um zu bestimmen, ob die Ven
tileinstellung, Zündzeitpunkteinstellung und/oder Luft/Treibstoffabgabe angepaßt
werden sollten, um Stabilität und Emissionsqualitäten des Fahrzeuges weiter zu
verbessern. Wenn diese Bedingungen angetroffen werden, werden die berechne
ten CSSRE-Zündzeitpunkte und Luft/Treibstoffverhältnis-Korrekturterme und die
VVT-Ereignisse adaptiv in den Schritten 70-80 aktualisiert. Insbesondere werden
in den Schritten 70 und 72 Zündzeitpunkt und Luft/Treibstoffverhältnis-Aktuali
sierungen aufgrund von Rückkopplungen auf Basis vorhergehender Betriebsdaten
berechnet. Die Aktualisierungen werden dazu verwendet, um die Zündzeitpunkt
einstellungen und Luft/Treibstoffverhältnisse so zu modifizieren, daß die Emissio
nen, NVH und Fahrkomfort verbessert werden. In den Schritten 74 und 76 werden
die berechneten Aktualisierungen oder Modifikationen zu den Zünd- und Luft/Treib
stoffverhältnis-Korrekturtermen addiert. In den Schritten 78 und 80 werden die VVT-
Ereignisse aufgrund von Rückkopplungen und vorhergehenden Betriebsdaten ak
tualisiert. Unter Verwendung der Verbrennungsqualität, NVH und/oder Emissions-
Rückkopplung können die vorgenannten adaptiven Aktualisierungen auf Grundlage
der bei einer bestimmten Motor- und/oder Fahrzeug-Betriebsbedingung, der Ge
schwindigkeit, Last- oder Drosselposition verbrauchten Zeit durchgeführt werden.
Andere Motor- und/oder Kraftfahrzeug-Betriebsbedingungen können auch zur An
passung verwendet werden. Eine individuelle Einstellung kann aufgrund jedes Ven
tilzeitgeberereignisses erfolgen (nämlich IVT-, IVC-, EVT- und EVC-Ereignisse).
In den Schritten 82 und 84 werden die CSSRE-Zündzeitpunkts- und Luft/Treibstoff
verhältnis-Korrekturwerte (bspw. signierte Addition) zu den entsprechenden nicht-
WT-Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerten addiert. Die endgültigen
Zündzeitpunkt- und Luft/Treibstoffverhältniswerte werden sodann aufgenommen.
Die Strategie 40 endet mit Schritt 86.
Größere Reduktionen der Auspuffemissionsniveaus werden durch Einsatz der vor
genannten Strategie 40 realisiert. Individuelles, frühes Abgasventilöffnen (EVO) und
CSSRE-Zündzeitpunktverschiebung erhöht die Motorabgastemperatur. Die synergi
stische Kombination frühes EVO und CSSRE führen zu höheren Abgastemperatu
ren. Diese Resultate wurden experimentell verifiziert. Beispielsweise und ohne dar
auf begrenzt zu sein, wurde gefunden, daß ein Fortschritt um 17 Grad bei EVO rela
tiv zum Basisnocken-EVO mit einer Totpunkt-Zentrums-("TDC") Zündzeitpunktein
stellzeit zu 28°C (50 Fahrenheit) Erhöhung der Abgastemperatur ohne Verschlech
terung der Verbrennungs-Charakteristika oder Stabilität, führte. Diese höhere Abga
stemperatur generiert einen größeren Wärmefluß im Abgas, welches das Katalysa
tor-Anspringverhalten verbessert. Eine Reduktion des Niveaus des aus dem Motor
abgegebenen Kohlenwasserstoffes (HC), nämlich des zugeführten Gases, wurde
ebenfalls beobachtet, welches teilweise auch durch Nachverbrennungs-Oxidation
der Abgase in den Leitungen erfolgt.
Bei Viertaktmotoren mit Zündkerzen, die nicht mit VVT-Mechanismen ausgerüstet
sind, liegt das IVO typischerweise vor dem EVC. Die Dauer dieses Ereignisses, die
entweder in Kurbelwellenwinkel- oder Nockenwellenwinkel-Graden gemessen wird,
wird als der Ventilüberlappungszeitraum bezeichnet. Während dieses Überlap
pungszeitraums besteht Gasfluß zwischen den Ansaug- und Abgasventilöffnungen.
Höhere Drücke in der Abgasventilöffnung und im Zylinder können einen Rückfluß
von Restgasen aus der Abgasventilöffnung und dem Zylinder in die Ansaugventi
löffnung veranlassen. Diese Gase vermischen sich mit der Ansaugcharge und wer
den ggf. wieder in den Motorzylinder während des Ansaughubs eingeführt. Der
Überlappungszeitraum bestimmt die Menge Restgase, die die Ansaugöffnung be
treten. Große Mengen Restgase können den Verbrennungsprozeß negativ beein
flussen, wodurch Teilverbrennung oder Fehlzündung veranlaßt wird. Dies gilt insbe
sondere für Leerlauf oder Leichtlast-Motorbetriebsbedingungen.
Diese Bedingung wird weiter verstärkt, wenn CSSRE-Zündzeitverzögerung und ma
geres Luft/Treibstoffverhältnis angewendet werden. Die kombinierten VVT, mageres
Luft/Triebstoffverhältnis und Zündzeitpunktstrategie gemäß der Erfindung können
eingesetzt werden, um entweder den Ventilüberlappungszeitraum während Leer
lauf- und/oder Bedingungen geringer Motorlast zu reduzieren oder zu eliminieren,
falls CSSRE vorliegt, wodurch eine Verschlechterung des Verbrennungsprozesses
verhindert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das variable Ventilzeitgeber
system 14 ohne Nockenwelle und unterstützt die Treibstoffvorbereitung während
des CSSRE-Kaltstarts und Aufwärmbetriebs. Für nockenwellenbetriebene Ventil
züge wird Treibstoff typischerweise in ein geschlossenes Ansaugventil injiziert/ge
sprüht. Wärmeübergang von der Ansaugventiloberfläche wird dazu verwendet, den
injizierten Treibstoff zu verdampfen. Der verdampfte Treibstoff vermischt sich mit
der angesaugten Luft in der Öffnung. Die Luft/Treibstoffmischung wird dann in den
Motorzylinder oder Brennkammer übermittelt, wenn sich das Ansaugventil öffnet.
Benzin besteht aus verschiedenartigsten Kohlenwasserstoffen, die bei verschiede
nen Temperaturen verdampfen. Die Destillationseigenschaften von zwei Arten han
delsüblichen Benzins sind in Graph 90 der Fig. 3 dargestellt. Verringerte Treibstoff
verdampfung findet während des Motorkaltstarts und der Aufwärmbedingungen
statt, da die Ansaugventiloberfläche noch nicht die optimalen Temperaturen erreicht
hat, die dazu notwendig sind, die flüssigen Treibstoff-Sprühnebeltröpfchen vollstän
dig zu verdampfen. Bei niedrigeren Ventiltemperaturen werden zusätzliche Mengen
Treibstoff in die Ansaugöffnung eingeführt, um sicherzustellen, daß die für die Ver
brennung ausreichende notwendige Menge verdampften Treibstoffes in der Öffnung
vorliegt. Falls das Ansaugventil geöffnet wird, wird ein Teil des Treibstoffs, der im
flüssigen Zustand verbleibt, auch in die Brennkammer übermittelt. Der flüssige
Treibstoff, der nicht während des Verbrennungsprozesses verbrennt, wird als nicht
verbrannte Kohlenwasserstoffe ausgestoßen.
Ein relativ dicker Film flüssigen Treibstoffs, der auf das Ansaugventil gesprüht wird,
beeinträchtigt in negativer Weise den Wärmeübertragungsprozeß. Insbesondere
wird mehr Zeit benötigt, um eine relativ große Menge flüssigen Treibstoffs zu ver
dampfen. Da die relativ große Menge Flüssigkeit mehr Wärme aus dem Ansaugven
til abzieht, wird mehr Zeit für das Ventil benötigt, um höhere Betriebstemperaturen
zu erreichen.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet ein variables Ventilzeitgeber
zystem 16 ohne Nockenwelle, um die o. g. Begrenzungen während der Motoranlauf-
und Aufwärmbedingungen zu vermeiden. Insbesondere ersetzt das variable Venti
lezeitgebersystem 16 ein einzelnes Einspritzereignis pro Ansaughub während eines
Viertaktmotorbetriebs (derzeitige Praxis) durch mehrere (nämlich zwei oder mehr)
Einspritzereignisse pro Ansaughub, gleichzeitig mit einer entsprechenden Anzahl
multipler Ansaugventil Schließ- und Öffnungsereignisse während des Ansaughubs.
Die injizierte Treibstoffmenge kann oder kann nicht auf gleiche Mengen verteilt wer
den. Ähnlicherweise können die IVC/IVO-Ereignisse nicht oder doch gleichmäßig
über die Dauer des Ansaughubs verteilt sein. Durch mehrere IVC/IVO-Ereignisse
können kleinere Mengen Treibstoff auf die Oberfläche des geschlossenen Ansaug
ventils gesprüht werden. Kleinere Treibstoffmengen verdampfen schneller. Die ge
ringeren, einzelnen Flüssigkeitsmengen führen weniger Wärme vom Ansaugventil
ab, wodurch dieses sich schneller erwärmen kann. Mehrfache Ventilschlüsse und
Wiederöffnungen während des Ansaughubs schaffen ferner größere Druckgradien
ten (größere Vakua) zwischen dem Zylinder und Ansaugöffnung. Dies führt zu dem
weiteren Vorteil des Aufbrechens von Flüssigkeitströpfchen, die den Zylinder über
die Ansaugöffnung betreten würden, wodurch diese leichter verbrannt werden kön
nen und die Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas reduziert wird.
In Fig. 4 ist eine Strategie oder Verfahren 100 dargestellt, die durch die Einrichtung
10 entsprechend der Lehre der zweiten Ausführungsform der Erfindung durchge
führt wird. Das Verfahren 100 beginnt mit Schritt 102, wo die Steuerung 14 Daten
und/oder Signale von den Kraftfahrzeug-Sensoren 22 empfängt. Aufgrund dieser
empfangenen Daten bestimmt die Steuerung 14, ob eine "Kaltstart"-Bedingung vor
liegt, wie in Schritt 104 gezeigt. Die Bestimmung einer "Kaltstart"-Bedingung hängt
von einer oder mehreren gemessenen Motorbetriebsbedingungen, wie der Tempe
ratur, Last und/oder Geschwindigkeit des Motors 26, der Motordrosselventilposition,
der Motorkühlmitteltemperatur und der Katalysatortemperatur oder Betriebseffizienz
ab, die mit ein oder weit mehr eichbaren Parametern, die in der Steuerung 14 abge
speichert sind, verglichen werden.
Falls keine Kaltstart-Bedingung detektiert wird, endet die Strategie, wie bei Schritt
126 gezeigt, und das Kraftfahrzeug verwendet konventionelles nicht CSSRE-Ven
tilzeit Setzen, Zünden und Luft/Treibstoffverhältnisstrategien. Falls eine Kaltstart-
Bedingung detektiert wird, fährt die Steuerung 14 in Schritt 106 fort, wo sie ein oder
mehrere Tests durchführt, um festzustellen, ob eine Treibstoff Mehrfacheinspritz-
Strategieff-Einspritzstrategie (pro Ansaughub) während der CSSRE-Betriebsweise
durchgeführt werden sollte. Die zu untersuchenden Parameter können umfassen,
sind aber nicht beschränkt auf: Motorgeschwindigkeit ("N"), Kraftfahrzeuggeschwin
digkeit ("VS"), Drosselposition ("TP"), Motorkühlmitteltemperatur ("ECT"), Zylinder
kopftemperatur ("CHT") und/oder Motorlast ("PER LOAD"). Wenn die gemessenen
Werte dieser Betriebsbedingungen oder Parameter vorher bestimmte Schwellen
werte für diese Parameter übersteigen, fährt die Steuerung 14 in Schritt 108 fort.
In Schritt 108 berechnet die Steuerung 14 die Gesamtmenge injizierten Treibstoffs
pro Ansaughub als Funktion des CSSRE-Luft/Treibstoffverhältnis-Zeitplans oder
Strategie. Die Steuerung 14 bestimmt ferner auch die Anzahl Einspritzereignisse
und Treibstoffmenge pro Einspritzen während des Ansaughubs als Funktion von N,
VS, TP, ECT, CHT, PER LOAD, und/oder anderen Motor/Kraftfahrzeugbetriebs
parametern. Die Steuerung fährt dann in Schritt 110 fort, wo sie die Zeitabstimmung
der IVC und IVO-Ereignisse (bspw. relativ zur Kurbelwellensteuerposition im An
saughub) und Dauer der Ereignisse, auf Grundlage der berechneten oder er
wünschten Anzahl Einspritzereignisse pro Ansaughub, Treibstoffmenge pro Ein
spritzen und andere Betriebsbedingungen bestimmt und/oder berechnet. Bei einer
nicht einschränkenden Ausführungsform wird einzelnes kontinuierliches Einspritzen
eingesetzt, während mehrere Ventilbetätigungen (nämlichen Öffnen und Schließen)
durchgeführt werden. In Schritt 112, der auf Schritt 110 folgt, setzt die Steuerung 14
einen Schleifenzählergrenzwert auf einen Wert gleich der berechneten Anzahl der
Einspritzereignisse und startet einen internen Schleifenzähler, in dem dieser auf den
Wert 1 gesetzt wird. In Schritt 114 werden die Resultate der Treibstoff- und Ventil
zeitberechnungen in der Steuerung 14 gespeichert. Die erste Treibstoffeinspritz
menge und IVC/IVO-Ereignisse werden sodann geplant und durchgeführt, wie in
Schritt 116 gezeigt. Insbesondere generiert die Steuerung 14 Befehle an die Zu
meß-Einrichtung 20 und das variable Ventilzeitgebersystem 16, um die erwünschten
Einspritz- und Ventilereignisse durchzuführen. Nachdem das geplante Ereignis
durchgeführt wurde, wird der Schleifenzählerwert um eins herauf gesetzt, wie in
Schritt 118 gezeigt, und der Schleifenzählerwert mit dem Schleifenzählergrenzwert
verglichen, wie in Schritt 120 gezeigt. Falls der Schleifenzählerwert größer als der
Schleifenzählergrenzwert ist, endet die Strategie und wird so lange wiederholt, bis
CSSRE und die Mehrfachtreibstoff-Einspritzbedingungen beendet sind. Falls der
Schleifenzählerwert nicht größer als der Schleifenzählergrenzwert ist, führt die
Steuerung 14 einen Test durch, um festzustellen, ob der Ansaughub durchgeführt
wird, wie in Schritt 122 gezeigt. Wenn der Ansaughub sich noch in Durchführung
befindet, wird rechnerisch die Kurbelwellenwinkelposition des Kolbens während des
Ansaughubs, wie in Schritt 124, bestimmt. Aufgrund der Stellung des Kolbens wer
den die geeigneten gespeicherten Werte für die nächste Treibstoffeinspritzmenge
und IVC/IVO-Ereignisse geplant, durchgeführt und der Schleifenzählerwert um eins
heraufgesetzt. Die Schritte 114-124 werden wiederholt, bis der Schleifenzählerwert
größer als der Schleifenzählergrenzwert ist, oder kein Ansaughub mehr durch
geführt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die exakten Verfahren 40, 100 be
schränkt, die hier beschrieben wurden, sondern es sind mannigfaltige Änderungen
und/oder Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der Ansprüche möglich.
Beispielsweise und ohne darauf begrenzt zu sein, können die Verfahren 40, 100
andere oder zusätzliche Schritte aufweisen und die offenbarten oder andere Schritte
in unterschiedlicher Reihenfolge oder Weise durchführen.
10
System
12
Kraftfahrzeug
14
Hauptsteuerung
16
variables Ventilzeitgebersystem
18
Zündsystem
20
Treibstoff-Zumeß-Einrichtung
22
Sensoren
26
Motor
Claims (18)
1. Einrichtung (10) zur Reduktion von Fahrzeug-Emissionen mit
einem Verbrennungsmotor (26)
einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), das die Ventil-Zeitgeberereignisse des Motors steuert,
einem Zündsystem (18), das die Zündeinstellung des Motors (26) steuert; und
einer Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20), das die Luft/Treibstoffzuführung zum Motor (26) steuert, gekennzeichnet durch:
mindestens einen Sensor (22), der mindestens eine Fahrzeugbetriebsbedin gung messen und Sensorsignale generieren kann, die den gemessenen, min destens einen Fahrzeugsbetriebszustand repräsentieren; und
eine Steuerung (14), die kommunikativ mit dem mindestens einem Fahrzeug sensor (22), dem mindestens einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), dem Zündsystem (18) und der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20) gekoppelt ist, die die Sensorsignale empfangen und aufgrund der empfangenen Sensorsignale einen Kaltstartzustand detektieren kann und entsprechend dieser Detektion Befehlssignale an das variable Ventil-Zeitgebersystem (16), das Zündsystem (18) und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung generieren kann, die entsprechend die Ventilzeiteinstellung, die Zündabstimmung und die Luft/Treibstoffabgabe so zu ändern, daß diese synergistisch die mageren Luft/Treibstoffgrenzen erwei tern, die Verbrennungscharakteristika verbessern und die Abgastemperatur erhöhen, wodurch Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.
einem Verbrennungsmotor (26)
einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), das die Ventil-Zeitgeberereignisse des Motors steuert,
einem Zündsystem (18), das die Zündeinstellung des Motors (26) steuert; und
einer Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20), das die Luft/Treibstoffzuführung zum Motor (26) steuert, gekennzeichnet durch:
mindestens einen Sensor (22), der mindestens eine Fahrzeugbetriebsbedin gung messen und Sensorsignale generieren kann, die den gemessenen, min destens einen Fahrzeugsbetriebszustand repräsentieren; und
eine Steuerung (14), die kommunikativ mit dem mindestens einem Fahrzeug sensor (22), dem mindestens einem variablen Ventil-Zeitgebersystem (16), dem Zündsystem (18) und der Treibstoff-Zumeß-Einrichtung (20) gekoppelt ist, die die Sensorsignale empfangen und aufgrund der empfangenen Sensorsignale einen Kaltstartzustand detektieren kann und entsprechend dieser Detektion Befehlssignale an das variable Ventil-Zeitgebersystem (16), das Zündsystem (18) und die Treibstoff-Zumeß-Einrichtung generieren kann, die entsprechend die Ventilzeiteinstellung, die Zündabstimmung und die Luft/Treibstoffabgabe so zu ändern, daß diese synergistisch die mageren Luft/Treibstoffgrenzen erwei tern, die Verbrennungscharakteristika verbessern und die Abgastemperatur erhöhen, wodurch Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten
Ventilzeitgeberereignisse Abgasventilöffnungsereignisse umfassen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten
Ventilzeitgeberereignisse Ansaugventilschließereignisse umfassen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten
Ventilzeitgeberereignisse Ansaugventilöffnungs- und Abgasventilschließereig
nisse umfassen, wobei die Ansaugventilöffnungs- und Abgasventilschließereig
nisse geändert werden, um die Ventilüberlappung zu steuern.
5. Einrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die geänderten
Ventilzeitgeberereignisse Abgasventilöffnungsereignisse, Abgasventilschlie
ßereignisse, Ansaugventilöffnungs- und Ansaugventilschließereignisse umfas
sen.
6. Einrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das variable
Ventilzeitgebersystem (16) ein System ohne Nockenwelle ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das variable
Ventilzeitgebersystem (16) mindestens eine Nockenwelle aufweist.
8. Verfahren zur Reduktion von Emissionen von Kraftfahrzeugen des Typs mit
Motor, mit den Schritten:
Detektieren eines Kaltstart-Zustands; und
selektives und synergistisches Ändern des Ventilzeitgebens, der Zündzeitab stimmung und der Luft/Treibstoffabgabe an den Motor, wodurch die Verbren nungseffizienz und Abgastemperatur erhöht wird und die Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.
Detektieren eines Kaltstart-Zustands; und
selektives und synergistisches Ändern des Ventilzeitgebens, der Zündzeitab stimmung und der Luft/Treibstoffabgabe an den Motor, wodurch die Verbren nungseffizienz und Abgastemperatur erhöht wird und die Kaltstart-Emissionen erniedrigt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ventilzeitsteuerung unter Verwendung
eines variablen Ventilzeitgebersystems geändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltstart-Zu
stand durch Überwachung mehrerer Kraftfahrzeugparameter detektiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren
Kraftfahrzeugparameter die Katalysatortemperatur umfassen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren
Kraftfahrzeugparameter, die Drosselventilposition, die Kraftfahrzeuggeschwin
digkeit, die Motorkühlmitteltemperatur und die Katalysatortemperatur umfassen.
13. Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch die Schritte:
Überwachen von Rückkopplungsdaten; und
adaptives Aktualisieren der Ventilzeitgebung, Zündzeitgebung und
Luft/Treibstoffabgabe aufgrund der überwachten Rückkopplungsdaten.
Überwachen von Rückkopplungsdaten; und
adaptives Aktualisieren der Ventilzeitgebung, Zündzeitgebung und
Luft/Treibstoffabgabe aufgrund der überwachten Rückkopplungsdaten.
14. Verfahren zur Reduktion von Emissionen eines Fahrzeuges des Typs mit einem
Motor, das eine Brennkammer mit mindestens einem Ventil, einem Treibstoffe
inspritzer, der eine Treibstoffmenge, die zu der Kammer übermittelt wird, durch
das mindestens eine Ventil abgibt, mit den Schritten:
mehrfaches selektives Öffnen und Schließen des mindestens einen Ventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die Verdampfung der Treib stoffmenge erhöht wird, um die mageren Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungscharakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch Emissionen reduziert werden.
mehrfaches selektives Öffnen und Schließen des mindestens einen Ventils während eines Ansaughubs des Motors, wodurch die Verdampfung der Treib stoffmenge erhöht wird, um die mageren Luft/Treibstoffgrenzen zu erweitern, die Verbrennungscharakteristika zu verbessern und die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch Emissionen reduziert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch:
Veranlassen des Fahrzeugeinspritzers, die Treibstoffmenge über Mehrfachein spritzungen während des Ansaughubs abzugeben.
Veranlassen des Fahrzeugeinspritzers, die Treibstoffmenge über Mehrfachein spritzungen während des Ansaughubs abzugeben.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Ventil selektiv unter
Verwendung mindestens eines elektromechanischen Betätigers selektiv geöff
net und geschlossen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens
eine Ventil selektiv durch Verwendung mindestens eines elektrohydraulischen
Betätigers selektiv geöffnet und geschlossen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch:
Berechnen einer Kurbelwellenposition; und
Verwenden der Kurbelwellenposition, um zu bestimmen, wann das mindestens eine Ansaugventil geöffnet und geschlossen wird.
Berechnen einer Kurbelwellenposition; und
Verwenden der Kurbelwellenposition, um zu bestimmen, wann das mindestens eine Ansaugventil geöffnet und geschlossen wird.
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