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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Motorsteuersysteme und insbesondere Motorsteuersysteme für Motoren, die sowohl in einem Funkenzündungsmodus als auch in einem Modus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Modus) arbeiten.
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HINTERGRUND
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Motoren können in einem Funkenzündungsmodus (SI-Modus) und in einem Modus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Modus) betrieben werden. Der HCCI-Modus umfasst ein Verdichten eines Gemischs aus Kraftstoff und einem Oxidationsmittel bis zu einem Punkt einer Selbstzündung. Einer der Modi kann basierend auf der Motordrehzahl und -last ausgewählt werden. In dem HCCI-Modus tritt die Zündung an verschiedenen Orten zur gleichen Zeit auf, was ein nahezu gleichzeitiges Verbrennen eines Kraftstoff/Luftgemischs erzeugt. Der HCCI-Modus arbeitet nahe an einem idealen Otto-Zyklus, liefert eine verbesserte Betriebseffizienz (arbeitet magerer) und erzeugt geringere Emissionsniveaus im Vergleich zu dem SI-Modus. Da es jedoch keinen direkten Auslöser der Verbrennung gibt, neigt der Zündungsprozess dazu, schwieriger zu steuern zu sein.
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Um den Betrieb während des HCCI-Modus einzustellen, kann ein Steuersystem die Bedingungen verändern, welche die Verbrennung hervorrufen. Beispielsweise kann das Steuersystem Verdichtungsverhältnisse, die erzeugte Gastemperatur, den erzeugten Gasdruck oder die Quantität des zurückgehaltenen oder zurückgeführten Abgases einstellen. Verschiedene Ansätze wurden verwendet, um die Einstellungen auszuführen und dadurch den HCCI-Betriebsbereich zu erweitern.
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Ein Steueransatz verwendet eine variable Ventilsteuerung, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis kann beispielsweise gesteuert werden, indem eingestellt wird, wann Einlassventile schließen. Die Menge des Abgases, das in einer Verbrennungskammer zurückgehalten wird, kann durch eine Ventilwiederöffnung und/oder eine Ventilüberlappung gesteuert werden.
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Ein anderer Ansatz verwendet einen Ansatz mit ”2-stufigem” Einlassventilhub, der ein Umschalten von Einlassventilmodi zwischen einem Zustand mit hohem Hub und einem Zustand mit niedrigem Hub umfasst. Während des Zustands mit hohem Hub werden die Einlassventile auf ein hohes Niveau gehoben, um einer Luftmenge zu erlauben, in die entsprechenden Zylinder einzutreten. Während des Zustands mit niedrigem Hub werden die Einlassventile auf ein niedriges Niveau gehoben, was einer relativ zu dem Zustand mit hohem Hub kleineren Luftmenge erlaubt, in die entsprechenden Zylinder einzutreten.
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Der Ansatz mit 2-stufigem Ventilhub weist einen stufigen Wechsel zwischen dem SI- und dem HCCI-Modus auf, und dieser führt zu unerwünschten Drehmomentstörungen während der Übergänge.
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In der
DE 10 2005 015 844 A1 sind ein Steuerungsverfahren und ein entsprechendes System für einen Verbrennungsmotor beschrieben, der sowohl im HCCI-Modus als auch im SI-Modus betrieben werden kann. Der Bereich bei niedriger Drehzahl und Last, in welchem der Betrieb des Verbrennungsmotors im HCCI-Modus erfolgt, wird durch die Verwendung einer inneren Abgasrückführung erweitert. Oberhalb einer Betriebsgrenze für den HCCI-Modus wird der Motor im SI-Modus betrieben.
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Die
DE 600 15 885 T2 beschreibt ein ähnliches Steuerungsverfahren und ein ähnliches System, bei denen der Drehzahl- und Lastbereich für den HCCI-Modus durch eine vorteilhafte Anpassung von Zylindereinlass- und Zylinderauslassventilen erweitert wird.
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In der
DE 10 2006 048 981 A1 sind ebenfalls ein Steuerungsverfahren und ein entsprechendes System beschrieben, mit denen der Drehzahl- und Lastbereich für den HCCI-Modus geändert bzw. verschoben werden kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Steuersystem anzugeben, mit denen Übergänge zwischen einem Selbstzündungsmodus und einem Funkenzündungsmodus erreicht werden, die nahtlos sind, Motoremissionen minimieren und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 8 sowie durch ein Steuersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Das Motorsteuersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung betreibt den Benzinmotor in dem SI-Modus und dem HCCI-Modus. Der HCCI-Modus verringert den Kraftstoffverbrauch, ist aber nur über einen begrenzten Bereich von Motordrehmomenten und -drehzahlen verfügbar.
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren, dass eine erste Betriebsgrenze für eine homogene Kompressionszündung (HCCI-Betriebsgrenze) ermittelt wird, dass eine erste Kraftstoffrate anhand einer Betreibereingabe ermittelt wird, dass die erste HCCI-Betriebsgrenze in Ansprechen auf einen gemessenen Luftmassendurchsatz, Nockenpositionen und die erste HCCI-Betriebsgrenze auf eine modifizierte Grenze geändert wird und dass der Motor in einem funkengezündeten Modus betrieben wird, wenn eine Anforderung einer zweiten Kraftstoffrate außerhalb der modifizierten Grenze liegt.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren, dass ein Luftmassendurchsatz für den Motor ermittelt wird, dass eine Motordrehzahl ermittelt wird, dass eine erste Kraftstoffzufuhrratengrenze für eine homogene Kompressionszündung (HCCI-Kraftstoffzufuhrratengrenze) in Ansprechen auf die Motordrehzahl ermittelt wird, dass eine Nockenposition ermittelt wird, dass die erste HCCI-Kraftstoffzufuhrratengrenze basierend auf dem Luftmassendurchsatz auf eine zweite modifizierte maximale Kraftstoffzufuhrrate modifiziert wird, wenn die Nockenposition einer gesättigten Position entspricht, und dass in einen Funkenzündungsmodus eingetreten wird, wenn die gewünschte Kraftstoffanforderung die zweite maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate überschreitet.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein System zum Steuern eines Motors ein Betriebszonen-Grenzmodul für eine homogene Kompressionszündung (HCCI-Betriebszonen-Grenzmodul), das eine erste HCCI-Betriebsgrenze ermittelt, und ein Kraftstoffratenmodul, das eine erste Kraftstoffrate anhand einer Betreibereingabe ermittelt. Das System umfasst auch ein Schaltmodul, das die erste HCCI-Betriebsgrenze in Ansprechen auf einen gemessenen Luftmassendurchsatz, Nockenpositionen und die erste HCCI-Betriebsgrenze auf eine modifizierte Grenze ändert. Das System umfasst auch ein Verbrennungssteuermodul, das den Motor in einem funkengezündeten Modus betreibt, wenn eine Anforderung einer zweiten Kraftstoffrate außerhalb der modifizierten Grenze liegt.
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Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die speziellen Beispiele nur zu Darstellungszwecken gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird anhand der ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen verständlicher werden, wobei:
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1A ein Funktionsblockdiagramm eines Motorsteuersystems ist, das gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem SI- und einem HCCI-Verbrennungsmodus arbeitet;
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1B ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Ventilhub-Einstellungssystems ist;
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1C ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motorsteuermoduls ist;
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2A eine Graphik einer Nockenposition über der Zeit ist, welche eine Nockensättigung einer Luft/Kraftstoffsteuerung darstellt;
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2B eine Graphik eines Luft/Kraftstoffverhältnisses über der Zeit ist, welche ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis und ein gewünschtes Verhältnis darstellt; und
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3 ein HCCI-Zustandsflussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie hierin verwendet, sollte die Formulierung A, B und/oder C derart ausgelegt werden, dass sie ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oders bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck Modul auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, fest zugeordnet oder als Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einen Schaltkreis der Schaltungslogik und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Das Motorsteuersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung betreibt den Benzinmotor in dem SI-Modus und dem HCCI-Modus. Der HCCI-Modus verringert den Kraftstoffverbrauch, ist aber nur über einen begrenzten Bereich von Motordrehmomenten und -drehzahlen verfügbar. Lediglich beispielhaft kann das Motorsteuersystem den Motor bei niedrigen bis mittleren Lasten und niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen in dem HCCI-Modus betreiben. Das Motorsteuersystem kann den Motor bei anderen Lasten und Motordrehzahlen in dem SI-Modus betreiben. Die HCCI-Betriebszonen können durch Betriebskennfelder in Kalibriertabellen definiert werden.
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Der Motor kann ein Benzinmotor mit Direkteinspritzung sein und kann während der Übergänge selektiv in einem geschichteten Betriebsmodus betrieben werden. Um in dem geschichteten Betriebsmodus zu arbeiten, spritzen die Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen den Kraftstoff in ein Gebiet des Zylinders ein, oft einen kleinen ”Unter-Zylinder” an der Oberseite oder dem Umfang des Hauptzylinders. Dieser Ansatz liefert eine fette Ladung in diesem Gebiet, die leicht zündet und schnell und glatt brennt. Der Verbrennungsprozess schreitet zu einem sehr mageren Gebiet voran (oft nur Luft), in dem die Flammenfront schnell abkühlt und nur eine geringe Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Stickstoffoxiden (NOx) besteht. Der zusätzliche Sauerstoff in der mageren Ladung verbindet sich auch mit Kohlenmonoxid (CO), um Kohlendioxid (CO2) zu bilden.
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Übergänge zwischen dem SI-Modus und dem HCCI-Modus sollten dem Fahrer nahtlos erscheinen, Motoremissionen minimieren und Kraftstoff-Verbrauchsverluste minimieren.
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Während des HCCI-Betriebs kann der Einlasskrümmerdruck in der Nähe des atmosphärischen Drucks liegen. Übergänge in die HCCI und aus dieser umfassen Änderungen für den Einlasskrümmerdruck und den Ventilhub. Diese Änderungen neigen dazu, plötzliche Änderungen in der Luftladung zu bewirken, die an die Zylinder geliefert wird. Infolgedessen werden unerwünschte Änderungen des Motordrehmoments auftreten, wenn nicht korrekt reguliert wird.
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Nun auf 1A Bezug nehmend, ist ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Motorsystems 100 dargestellt. Das Motorsystem 100 weist einen Motor 102 auf, der ein Luft/Kraftstoffgemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment für ein Fahrzeug basierend auf einem Fahrereingabemodul 104 zu erzeugen. Der Motor kann ein Motor mit direkter Zündung sein. Luft wird durch ein Drosselventil 112 in einen Einlasskrümmer 110 gesaugt. Ein Motorsteuermodul (ECM) 114 befiehlt einem Drosselaktuatormodul 116, das Öffnen des Drosselventils 112 zu regeln, und einem Phasensteller-Aktuatormodul 158, die Öffnungs- und Schließzeiten von Einlass- und Auslassventilen 122 und 130 zu regeln und die Luftmenge zu steuern, die in den Einlasskrümmer 110 gesaugt wird.
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Luft wird aus dem Einlasskrümmer 110 in Zylinder des Motors 102 gesaugt. Während der Motor 102 mehrere Zylinder aufweisen kann, ist zu Darstellungszwecken ein einzelner repräsentativer Zylinder 118 gezeigt. Lediglich beispielhaft kann der Motor 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder aufweisen.
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Luft aus dem Einlasskrümmer 110 wird durch ein Einlassventil 122 in den Zylinder 118 gesaugt. Das ECM 114 steuert die durch ein Kraftstoffeinspritzsystem 124 eingespritzte Kraftstoffmenge. Das Kraftstoffeinspritzsystem 124 kann Kraftstoff an einem zentralen Ort in den Einlasskrümmer 110 einspritzen, oder es kann Kraftstoff an mehreren Orten in den Einlasskrümmer 110 einspritzen, wie z. B. in der Nähe des Einlassventils jedes der Zylinder. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzsystem 124 Kraftstoff direkt in die Zylinder einspritzen. Die Position der Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder kann zentral (Zentraleinspritzung) oder seitlich (Seitliche Einspritzung) erfolgen.
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Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit der Luft und erzeugt das Luft/Kraftstoffgemisch in dem Zylinder 118. Ein Kolben (nicht gezeigt) in dem Zylinder 118 verdichtet das Luft/Kraftstoffgemisch. Basierend auf einem Signal von dem ECM 114 aktiviert ein Zündfunken-Aktuatormodul 126 eine Zündkerze 128 in dem Zylinder 118, die das Luft/Kraftstoffgemisch zündet. Der Zeitpunkt des Zündfunkens kann relativ zu der Zeit spezifiziert werden, zu der sich der Kolben an seiner obersten Position befindet, bezeichnet als oberer Totpunkt (TDC).
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Die Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemischs treibt den Kolben abwärts, wodurch eine rotierende Kurbelwelle (nicht gezeigt) angetrieben wird. Der Kolben beginnt dann, sich wieder aufwärts zu bewegen, und treibt die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Auslassventil 130 heraus. Die Nebenprodukte der Verbrennung werden mittels eines Abgassystems 134 aus dem Fahrzeug ausgestoßen.
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Das Einlassventil 122 kann durch eine Einlassnockenwelle 140 gesteuert werden, während das Auslassventil 130 durch eine Auslassnockenwelle 142 gesteuert werden kann. Bei verschiedenen Implementierungen können mehrere Einlassnockenwellen mehrere Einlassventile pro Zylinder und/oder die Einlassventile mehrerer Reihen von Zylindern steuern. Auf ähnliche Weise können mehrere Auslassnockenwellen mehrere Auslassventile pro Zylinder und/oder die Auslassventile mehrerer Reihen von Zylindern steuern. Das Zylinderaktuatormodul 120 kann Zylinder deaktivieren, indem Kraftstoff und Zündfunken abgeschaltet werden und/oder ihre Auslass- und/oder Einlassventile deaktiviert werden.
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Die Zeit, zu der das Einlassventil 122 geöffnet wird, kann durch einen Einlass-Nockenphasensteller 148 bezogen auf den Kolben-TDC variiert werden. Die Zeit, zu der das Auslassventil 130 geöffnet wird, kann durch einen Auslass-Nockenphasensteller 150 bezogen auf den Kolben-TDC variiert werden. Ein Phasensteller-Aktuatormodul 158 steuert den Einlass-Nockenphasensteller 148 und den Auslass-Nockenphasensteller 150 basierend auf Signalen von dem ECM 114. Zusätzlich kann der Betrag des Hubs an den Einlass- und Auslassventilen hydraulisch oder unter Verwendung anderer Verfahren eingestellt werden. Der Hubzustand der Ventile wird durch das ECM 114 gesteuert.
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Das Motorsystem 100 kann ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 170 aufweisen, das Abgas selektiv zurück zu dem Einlasskrümmer 110 zurückleitet. Das Motorsystem 100 kann die Drehzahl der Kurbelwelle in Umdrehungen pro Minute (RPM) unter Verwendung eines RPM-Sensors 180 messen. Die Temperatur des Motorkühlmittels kann unter Verwendung eines Motorkühlmittel-Temperatursensors (ECT-Sensors) 182 gemessen werden. Der ECT-Sensor 182 kann in dem Motor 102 oder an anderen Orten angeordnet sein, an denen das Kühlmittel zirkuliert, wie z. B. einem Kühler (nicht gezeigt).
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Der Druck in dem Einlasskrümmer 110 kann unter Verwendung eines Krümmerabsolutdrucksensors (MAP-Sensors) 184 gemessen werden. Bei verschiedenen Implementierungen kann ein Motorvakuum gemessen werden, wobei das Motorvakuum die Differenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck in dem Einlasskrümmer 110 ist. Die Luftmasse, die in den Einlasskrümmer 110 strömt, kann unter Verwendung eines Luftmassendurchsatzsensors (MAF-Sensors) 186 gemessen werden.
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Das ECM 114 kann eine gemessene Luft pro Zylinder (APC) basierend auf dem MAF-Signal berechnen, das von dem MAF-Sensor 186 erzeugt wird. Das ECM 114 kann eine gewünschte APC basierend auf den Motorbetriebsbedingungen, einer Betreibereingabe oder anderen Parametern schätzen. Das Drosselaktuatormodul 116 kann die Position des Drosselventils 112 unter Verwendung eines oder mehrerer Drosselpositionssensoren (TPS) 190 überwachen. Die Umgebungstemperatur der Luft, die in das Motorsystem 100 gesaugt wird, kann unter Verwendung eines Einlassluft-Temperatursensors (IAT-Sensors) 192 gemessen werden. In einigen Fällen kann dieser IAT-Sensor 192 in den MAF-Sensor 186 integriert sein. Das ECM 114 kann Signale von den Sensoren verwenden, um Steuerentscheidungen für das Motorsystem 100 zu treffen.
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Um abstrakt auf die verschiedenen Steuermechanismen des Motors 102 Bezug zu nehmen, kann jedes System, das einen Motorparameter variiert, als ein Aktuator bezeichnet werden. Beispielsweise kann das Drosselaktuatormodul 116 die Klappenposition und damit die Öffnungsfläche des Drosselventils 112 ändern. Das Drosselaktuatormodul 116 kann daher als ein Aktuator bezeichnet werden, und die Öffnungsfläche der Drossel kann als eine Aktuatorposition bezeichnet werden.
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Auf ähnliche Weise kann das Zündfunken-Aktuatormodul 126 als ein Aktuator bezeichnet werden, während die entsprechende Aktuatorposition ein Betrag einer Zündfunken-Vorverstellung oder Zündfunkenverstellung nach spät ist. Andere Aktuatoren umfassen das Ladedruck-Aktuatormodul 162, das AGR-Ventil 170, das Phasensteller-Aktuatormodul 158, das Kraftstoffeinspritzsystem 124 und das Zylinderaktuatormodul 120. Der Ausdruck Aktuatorposition bezogen auf diese Aktuatoren kann dem Ladedruck, der AGR-Ventilöffnung, den Einlass- und Auslass-Nockenphasenstellerwinkeln, dem Luft/Kraftstoffverhältnis bzw. der Anzahl von aktivierten Zylindern entsprechen.
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Nun auf 1B Bezug nehmend, ist ein Funktionsblockdiagramm eines Ventilhub-Steuerkreises 250 gezeigt. Der Ventilhub-Steuerkreis 250 weist eine Einlass-/Auslassventilbaugruppe 252 auf, die mittels einer Ölpumpe 256 Öl aus einem Ölreservoir 254 empfängt. Das Öl wird vor dem Empfang durch die Ventilbaugruppe 252 durch einen Ölfilter 258 gefiltert. Das Steuermodul steuert einen Hubbetrieb der Einlass- und Auslassventile 260, 262 der Ventilbaugruppe 252.
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Die Ventilbaugruppe 252 umfasst die Einlass- und Auslassventile 260, 262, die offene und geschlossene Zustände aufweisen und mittels einer oder mehrerer Nockenwellen 264 betätigt werden. Eine fest zugeordnete Einlassnockenwelle und eine fest zugeordnete Auslassnockenwelle können umfasst sein. Bei einer anderen Ausführungsform können die Einlass- und Auslassventile 260, 262 eine gemeinsame Nockenwelle teilen. Wenn sie sich in einem offenen Zustand befinden, können die Einlass- und Auslassventile 260, 262 in verschiedenen Hubzuständen arbeiten.
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Die Ventilbaugruppe 252 weist auch Einstelleinrichtungen 270 für den Ventilhubzustand auf. Die Einstelleinrichtungen 270 für den Hubzustand können Öldruck-Steuerventile 272 und Ventilhub-Steuerventile aufweisen, wie zum Beispiel Solenoide 274. Andere Einstelleinrichtungen 275 für den Hubzustand, wie beispielsweise Hubstifte, Hebel, Kipphebel, Federn, Verriegelungsmechanismen, Stößel und dergleichen, können umfasst sein.
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Der Ventilhub-Steuerkreis 250 kann einen Öltemperatursensor 280 und/oder einen Öldrucksensor 282 umfassen. Das Steuermodul gibt ein Signal an die Öldruck-Steuerventile 272 basierend auf Temperatur- und Drucksignalen aus, die von den Temperatur- und Drucksensoren 280, 282 empfangen werden.
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Nun auf 1C Bezug nehmend, kann das Motorsteuermodul 114 ein MAF-Steuermodul 290 umfassen, das ein Signal von dem Luftmassendurchsatzsensor empfängt und ein gemessenes Luftmassendurchsatzsignal erzeugt. Das gemessene Luftmassendurchsatzsignal von dem MAF-Steuermodul 290 wird durch das stöchiometrische Luftdurchsatzverhältnis dividiert, um in dem Arithmetikblock 292 eine maximale Kraftstoffzufuhr zu erhalten. Natürlich kann ein Multiplikatorblock verwendet werden, der mit der Inversen der Stöchiometrie multipliziert. Die Stöchiometrie eines Benzinmotors liegt typischerweise bei 14,7. Natürlich werden andere Kraftstoffe in Erwägung gezogen, wie beispielsweise E85. Das Signal für die maximale Kraftstoffzufuhrrate wird an ein Schaltmodul 294 geliefert. Ein anderer Eingang für das Schaltmodul 294 ist ein Phasensteller-Steuermodul 296. Das Phasensteller-Steuermodul 296 liefert ein Signal, das angibt, ob sich die Nocken in einer gesättigten Position befinden oder nicht. Das Phasensteller-Steuermodul 296 kann die Phasensteller auch steuern, um zwischen einem SI- und einem HCCI-Modus zu wechseln. Das Phasensteller-Steuermodul 296 kann eine Nockenphaseneinstellung ermitteln.
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Ein Motordrehzahlmodul 298 kann ein Motordrehzahlsignal erzeugen, das an ein HCCI-Betriebszonenmodul 300 geliefert wird. Das HCCI-Betriebszonenmodul 300 ermittelt ein Signal für eine maximale HCCI-Kraftstoffzufuhr in Ansprechen auf das Motordrehzahlsignal von dem Motordrehzahlmodul 298. Das Signal für die maximale HCCI-Zufuhrrate entspricht der maximalen Kraftstoffzufuhrrate für die HCCI-Betriebszone. An der maximalen Grenze der HCCI-Betriebszone ist das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis stöchiometrisch, damit der Dreiwegekatalysator NOx-Emissionen minimiert. Das Signal für die maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate wird an das Schaltmodul 294 geliefert.
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Das Schaltmodul 294 empfängt die berechnete maximale Kraftstoffzufuhrrate und die maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate sowie ein Signal, dem entspricht, ob die Nocken in einer der Sättigung entsprechenden Position arbeiten. Die Einlass- und Auslassventile sind mechanisch gesättigt, und folglich die entsprechenden Nockenpositionen, wenn die negative Ventilüberlappung (NVO) eine minimale NVO ist. Die NVO ist als die Dauer bezüglich des Kurbelwinkels zwischen dem Schließen des Auslassventils und dem Öffnen des Einlassventils definiert. Wenn die minimale negative Ventilüberlappung erreicht wird, dann wird ebenso der Zustand maximalen Luftdurchsatzes des HCCI-Motors erreicht. Wenn die Ventil-Zeitsteuerungen mechanisch gesättigt sind, erreicht der gewünschte Luftdurchsatz einen Grenzwert, und daraus kann ein fettes Luft-Kraftstoffgemisch resultieren. Eine instabile HCCI-Verbrennung kann in der Nähe der maximalen Grenze der HCCI-Betriebszone aufgrund dieser Unfähigkeit stattfinden, den Luftdurchsatz zu steuern. Die vorliegende Offenbarung detektiert und vermeidet diese Zustände, indem die maximale Grenze der HCCI-Betriebszone basierend auf den Einlass- und Auslassnockenpositionen und dem gemessenen Luftdurchsatz beschränkt wird. Das Schaltmodul 294 modifiziert die maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate, wenn die berechnete maximale Kraftstoffzufuhrrate kleiner als die maximale Kraftstoffzufuhrrate der vorbestimmten HCCI-Betriebszone ist. Dies tritt auf, wenn die Motorventile mechanisch gesättigt sind, wie oben beschrieben wurde. Die Öffnungs- und Schließzeiten der Motorventile, die erforderlich sind, um eine gewünschte APC aufrechtzuerhalten, können sich in Abhängigkeit von der Umgebung ändern, wie beispielsweise dem Umgebungsdruck und der Einlasskrümmertemperatur.
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Ein Signal für eine modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate wird an einen Komparator 310 geliefert, der die modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate mit einem Signal für eine gewünschte Kraftstoffrate vergleicht, das von dem Fahrer herrührt. Die gewünschte Kraftstoffrate kann von einem Pedalpositionssensor (nicht gezeigt) erhalten werden, der ein Signal an ein Kraftstoffratenmodul 311 liefert. Das Signal für den gewünschten Kraftstoff von dem Fahrer und die modifizierte maximale Kraftstoffrate werden verglichen. Wenn die gewünschte Kraftstoffrate von dem Fahrer außerhalb des modifizierten maximalen HCCI-Kraftstoffsignals liegt, dann wird ein Einspritzungsmodus mit Zündfunken angefordert. Wenn die gewünschte Kraftstoffrate von dem Fahrer innerhalb der modifizierten maximalen HCCI-Kraftstoffzufuhrrate liegt, dann wird ein HCCI-Modus beibehalten. Der HCCI-Modus und der SI-Modus werden von einem Verbrennungssteuermodul 312, einem Zündfunkensteuermodul 314 und einem Kraftstofflieferungsmodul 316 gesteuert. Das Verbrennungssteuermodul 312 schaltet zwischen einer SI- und einer HCCI-Steuerung um. Das Zündfunkensteuermodul 314 kann ebenso zwischen einem HCCI- und einem SI-Modus umschalten. Das Zündfunkensteuermodul 314 kann den Zeitpunkt und die Dauer des Zündfunkens ermitteln. Das Kraftstofflieferungsmodul 316 kann ebenso zwischen einem SI- und einem HCCI-Modus umschalten. Das Kraftstofflieferungsmodul 316 kann die Art, den Zeitpunkt und/oder die Menge einer Kraftstofflieferung ermitteln.
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Nun auf 2A Bezug nehmend, stellt eine Graphik für einen Einlass- und einen Auslassnocken eine Verbrennungsmodus-Umschaltung 350 von der SI zu der HCCI und eine gesättigte Nockenposition (NVO) 352 dar. Wie in 2B zu sehen ist, wird das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis während des Verbrennungsmodusübergangs von der SI zu der HCCI überschritten, und es nimmt in den HCCI-Modus nach der Nocken-Sättigungszeit 352 von 2A auf ein fettes Verhältnis ab. Dies liegt daran, dass bei einem HCCI-Modus, anderes als bei herkömmlichen Motoren, die Einlassluft, mit der die Zylinder geladen werden, durch die Zeitsteuerungen des Einlass- und Auslassventils gesteuert werden, da der Motor mit einem Krümmerabsolutdruck arbeitet, der sich barometrischen Umgebungsbedingungen nähert. Mit der gegebenen Rate der äußeren AGR, der gegebenen Einlasskrümmertemperatur und dem gegebenen Umgebungsdruck können die Zeitsteuerungen des Einlass- und Auslassventils die Luftmasse für die Zylinder ermitteln. Indem die Grenzen für die modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffrate beschränkt werden, werden instabile HCCI-Zustände aufgrund eines fetten Luft-Kraftstoffverhältnisses vermieden.
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Nun auf 3 Bezug nehmend, umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Motors, dass bei Schritt 410 ein Luftdurchsatz ermittelt wird. Der Luftdurchsatz kann der gemessene Luftmassendurchsatz von einem Luftmassendurchsatzsensor sein. Bei Schritt 412 wird eine berechnete maximale Kraftstoffzufuhrrate ermittelt, indem der gemessene Luftdurchsatz mit einem invertierten stöchiometrischen Luftdurchsatzverhältnis modifiziert wird. Das heißt, dass der gemessene Luftmassendurchsatz durch das stöchiometrische Luftdurchsatzverhältnis dividiert wird. Bei Schritt 414 wird eine Nockenposition ermittelt. Insbesondere wird ermittelt, wann eine Nockenposition gesättigt ist. Wenn die negative Ventilüberlappung mechanisch gesättigt ist (d. h. NVO = minimale NVO), dann wird der Zustand eines maximalen Luftdurchsatzes des HCCI-Motors erreicht. Bei Schritt 416 wird die Motordrehzahl ermittelt. Bei Schritt 418 wird die Motordrehzahl verwendet, um die maximale Kraftstoffzufuhrrate einer vorbestimmten HCCI-Betriebszone zu ermitteln.
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Bei Schritt 420 wird die berechnete maximale Kraftstoffzufuhrrate mit der maximalen Kraftstoffzufuhrrate einer vorbestimmten HCCI-Betriebszone verglichen, die bei Schritt 418 berechnet wird. Wenn die berechnete maximale Kraftstoffzufuhrrate kleiner als die maximale Kraftstoffzufuhrrate der vorbestimmten HCCI-Kraftstoffzufuhrzone ist, beschränkt Schritt 422 die HCCI-Betriebszone auf eine modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffzufuhrrate. Wenn die maximale Kraftstoffzufuhrrate bei Schritt 420 nicht kleiner als die maximale Kraftstoffzufuhrrate der vorbestimmten HCCI-Betriebszone ist, wird der Motor innerhalb der HCCI-Betriebszone betrieben, und daher hält Schritt 424 den Betrieb in der HCCI-Betriebszone aufrecht.
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Nach den Schritten 422 und 424 wird die gewünschte Kraftstoffrate mit der HCCI-Betriebszone verglichen. Wenn die gewünschte Kraftstoffrate die Grenzen der HCCI-Betriebszone überschreitet, wird bei Schritt 430 ein funkengezündeter Modus für den Motor angefordert. Das heißt, dass ein Wechsel oder ein Umschalten von der HCCI-Betriebszone in einen SI-Modus durchgeführt wird. Schritt 426 kann die modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffrate oder die HCCI-Kraftstoffrate verwenden, wenn eine modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffrate nicht ermittelt wird.
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Wieder auf Schritt 426 Bezug nehmend, wird dann, wenn die gewünschte Kraftstoffrate nicht größer als die HCCI-Betriebszone ist oder außerhalb von dieser liegt, der Betrieb in dem HCCI-Modus bei Schritt 428 aufrechterhalten.
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Indem eine modifizierte maximale HCCI-Kraftstoffrate vorgesehen wird, wird ein robuster und stabiler HCCI-Motorbetrieb geschaffen, während Emissionsspitzen aufgrund von Fehlzündungen oder Teilverbrennungen vermieden werden. Die Fahrbarkeit wird ebenso unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung verbessert.
